2005_podyak / кафедра 13

1.4 Блокинг генератор (1, 5, 10 )

Рис. 1.25а Рис. 1.25б

Схема блокинг- генератора представляет собой однокаскадный усилитель с трансформаторной положительной обратной связъю (рис. 1.25а). В историческом плане эта схема была одной из первых в числе генераторных устройств, предназначенных для генерирования мощных коротких импульсов сначала на основе электронных ламп, а затем и транзисторах. На сравнительно маломощных приборах (с допустимой мощностью рассеивания на уровне сотен милливатт) схема позволяет передавать в нагрузку мощность на несколько порядков большую. Существенная роль принадлежит здесь трансформатору, обеспечивающего необходимую связь и согласование выходной цепи с цепями управления и нагрузки.

Рассмотрим принцип работы блокинг- генератора. Пусть до момента времени t₁ транзистор VT1 по неизвестной пока причине был закрыт. Это состояние не может длиться бесконечно долго, поскольку конденсатор С₁ заряжается, и в цепь базы через резистор R₁ подается положительное смещение от источника питания Е_П. В момент t₁ напряжение на базе транзистора достигает порога отпирания (примем его близким к нулю), и в коллекторной цепи появится ток i_k1, который вызовет изменение напряжения на первичной обмотке w₁ трансформатора ТР. Благодаря индуктивной связи между обмотками w₁ и w₂ это изменение передается в цепь базы транзистора и при обозначенном на схеме способе включения обмоток вызовет еще большее увеличение тока коллектора. Возникает уже известный нам регенеративный процесс, который удобно изобразить в виде замкнутой последовательности событий:

u_бi_бi_ku_ku_w1u_w2u_б

Процесс этот происходит очень быстро и к моменту его окончания формируются максимальные значения токов базы и коллектора (I_БM, I_KM). При правильном выборе значений элементов схемы транзистор окажется в режиме насыщения с близким к нулю остаточным напряжением на коллекторе (рис. 1.25б).

Начиная с этого момента (практически совпадающего с моментом t₁), происходит формирование плоской вершины импульса. Здесь главными особенностями работы блокинг- генератора являются следующие. Так как транзистор находится в режиме насыщения, то напряжение на первичной обмотке сохраняется почти неизменным и равным напряжению источника питания Е_П. На базовой обмотке w₂ создается напряжение u₂=Е_Пn₂= Е_Пw₂/w₁, где n₂- соответствующий коэффициент трансформации. Это напряжение задает ток i_б в цепи базы транзистора, достаточный для поддержания режима насыщения. Постепенно ток базы уменьшается вследствие заряда конденсатора С₁, а напряжение на конденсаторе принимает все более отрицательное значение.

Отметим также, что в нагрузке , в общем случае гальванически несвязанной с источником питания, протекает на этом этапе ток i_н=Е_Пn₂/R_Н, где n₂=w₃/w₁, а ток коллектора несколько возрастает из- за роста тока намагничивания трансформатора. Таким образом можно сделать вывод, что на интервале формирования вершины импульса имеют место процессы, способствующие выходу транзистора из режима насыщения: уменьшение тока базы и постепенное возрастание тока коллектора. В некоторый момент времени t₂ эти причины переведут транзистор в активный режим, то есть создадутся условия для обратного регенеративного процесса, в ходе которого за очень короткое время (к моменту t₃) транзистор окажется в закрытом состоянии: к базе будет приложено отрицательное напряжение конденсатора С₁, токи базы и коллектора сделаются равными нулю, напряжение на коллекторе может превысить уровень Е_П за счет энергии, накопленной в индуктивности намагничивания трансформатора Новое состояние будет продолжаться до тех пор, пока под действием положительного напряжения Е_П конденсатор не разрядится до уровня отпирания транзистора VT1 (момент t₄,) то есть создадутся те начальные условия, с которых мы начали рассматривать основы работы схемы.

Рассмотрим теперь некоторые расчетные соотношения в схеме блокинг-генератора, исходя из ряда общепринятых допущений. Так, будем считать пренебрежимо малыми времена перехода схемы из одного квазиустойчивого состояния равновесия в другое (из режима насыщения транзистора в режим его запирания). Длительность этих переходов зависит от глубины обратной связи, характера нагрузки, паразитных емкостей и индуктивности рассеивания трансформатора, частотных свойств транзистора. Минимальные значения указанных временных параметров (по данным литературных источников) лежат в пределах нескольких единиц _.

Определение длительности импульса. За длительность импульса принимается интервал времени t_и, в течении которого транзистор находится в насыщенном состоянии. Условием обеспечения насыщенного состояния является, как известно, выполнение неравенства;

(1.67)

где ₀- среднее значение коэффициента усиления по току в активном режиме работы транзистора

Для определения токов коллектора и базы обратимся к эквивалентной расчетной схеме выходной цепи блокинг- генератора (рис.1.26), состоящей из параллельного соединения следующих элементов:

- приведенное сопротивление нагрузки

- приведенное суммарное сопротивление в цепи базы

- приведенная емкость конденсатора С₁

Рис. 1.26 К- замкнутый накоротко транзисторный ключ

Ток коллектора будет определяться суммой приведенного тока нагрузки, приведенного тока цепи базы и тока намагничивания:

(1.68)

где: (1.69)

(1.70)

(1.71)

Так как ток базы в n₁ раз меньше приведенного тока , то на основании формулы (1.67) длительность выходного импульса будет найдена в результате решения трансцендентного уравнения:

= ++ (1.72)

что возможно в общем случае только численными методами. Представляют интерес и частные решения, позволяющие понять тенденции влияния того или другого элемента схемы на длительность импульса. Рассмотрим следующие случаи:

а) Индуктивность намагничивания L₁ настолько велика, что током намагничивания можно пренебречь. Заметим также, что произведение ₀n₁ в практических схемах значительно больше единицы, хотя значение n₁ обычно лежит в пределах 0.5…1. Формула (1.72) при этом приводится к виду:

= (1.73)

а длительность импульса оказывается равной:

или (1.74)

б) Велика постоянная времени С₁R_Б и основная роль в процессе выхода транзистора из насыщения принадлежит индуктивности намагничивания L₁. Формула (1.72) принимает для этого случая вид:

= ++ (1.75)

Решая это уравнение относительно t_и с учетом сделанных ранее допущений, получим:

(1.76)

Определение длительности зарытого состояния транзистора. Как правило, тот интервал времени значительно больше длительности импульса. Поэтому его можно принять за период повторений генерируемых импульсов. Физически это время обусловлено процессом перезаряда конденсатора с начальным отрицательным уровнем, полученным на предыдущем этапе, до уровня отпирания транзистора.

Обратимся к эквивалентной схеме входной цепи транзистора на этапе его закрытого состояния (рис. 1.27). Обозначим начальное напряжение на конденсаторе через U_CM. Величина этого напряжения примерно равна напряжению на вторичной обмотке w₂ в стадии насыщенного состояния транзистора, то есть U_CMЕ_Пn₁. Под действием положительного напряжения источника питания напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

(1.77)

Рис. 1.27

Примем за порог отпирания транзистора напряжение, равное нулю. Тогда из выражения (1.27) найдем близкое к периоду значение:

(1.78)

где _С1=С₁R₂- постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Определение амплитуды выброса напряжения на коллекторе транзистора. Возникновение перенапряжения на коллекторе транзистора схемы блокинг- генератора обусловлено накоплением энергии в индуктивности намагничивания трансформатора на этапе формирования плоской вершины импульса и быстрым выключением транзистора при переходе его в закрытое состояние. Переходной процесс здесь носит достаточно сложный характер из-за наличия в схеме паразитных емкостей, индуктивности рассеивания трансформатора. Немалую рль играют частотные свойства транзистора.

Упростим решение задачи, отводя основную роль процессам в индуктивности намагничивания L₁ после имеющего место предположительно мгновенного отключения транзистора. Как следует из рис. 1.25б, за время t_и ток в индуктивности L₁ получил приращение I_KM (ток намагничивания). При мгновенном отключении транзистора этот ток создал бы на коллекторе дополнительное напряжение U_M= I_KMR_НЭ, зависящее от величины эквивалентного сопротивления нагрузки и особенно сказывающегося в режиме холостого хода схемы. Ослабить уровень перенапряжения до допустимого значения помогает нелинейная цепь VD1, R₃. Как только напряжение на коллекторе транзистора достигнет величины Е_П, откроется диод VD1, и создастся замкнутый контур для протекания тока намагничивания I_KM. Создаваемое им падение напряжение будет ограничено значением U_M= I_KMR₃, где величина R₃ может быть выбрана в соответствии с предельно допустимым значением напряжения для данного типа транзистора.

1.4.1 Контрольные вопросы к разделу 1.4

1. Поясните принцип работы блокинг- генератора и назначение элементов его схемы.

2. Расскажите об основных этапах работы блокинг- генератора

3.Какие параметры схемы БГ определяют длительность выходного импульса?

4. Чем определяется частота генерируемых импульсов схемы БГ?

5. Поясните, чем вызывается появление выброса напряжения на коллекторе транзистора схемы БГ.

6. Поясните принцип работы защитной цепочки от перенапряжения в схеме БГ.

1.5 Упражнения и задачи к разделу 1

1. В схеме рис. 1.2 используется транзистор типа КТ201А с паспортными параметрами: ₀=20…60; U_КЭ.ДОП=20В; U_КБ.ДОП=20В; I_К0=1мкА; I_КП.ДОП=20мА; f_=1мГц

Рассчитайте параметры импульса на выходе транзистора VT2, если: R_k1=R_K2=2kOм; C_Б1=С_Б2=0.01мкФ; R_Б1=R_Б2=20кОм; Е_К=Е_Б=10В

2. В схеме рис. 1.2 параллельно транзистору VT2 включено сопротивление нагрузки R_Н. Напряжения источников питания _. Е_К=Е_Б=12В. Рассчитать значения элементов схемы, обеспечивающих получение следующих параметров напряжения на выходе VT2: U_M8В; t_и=50мкс; t_н10мкс; f=1000гц.

3. Как изменятся параметры выходного импульса в схеме рис. 1.2, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R_K2

б) Уменьшить (увеличить) сопротивление R_Н

в) Уменьшить (увеличить) емкость С_Б2

г) Уменьшить (увеличить) сопротивление R_Б1

д) Уменьшить (увеличить) напряжение Е_К

е) Уменьшить (увеличить) напряжение Е_Б

4. По результатам решения задачи 3 рассчитайте максимальное значение тока в цепи базы транзистора VT1

5 В схеме рис. 1.5 используется транзисторы КТ201А. Напряжения источников питания _. Е_К=12В, Е_Б=-5В. Определите параметры импульса с выхода транзистора VT2, если: R_K1=5кОм, R_K2=2кОм, С_Б=0.01мкФ; С₁=100пФ; R_Б=20кОм. Рассчитайте сопротивления R₁, R₂, если I_K0=10мкА.

6. В схеме рис. 1.5 получите выражение для тока i_б2, на этапе перехода транзистора в открытое состояние.

7. Какие изменения произойдут в работе схемы рис.1.7, если:

а) Диод VD1 оказался пробитым

б) Диод VD2 оказался закороченным

8. Как изменятся параметры выходного импульса в схеме рис. 1.7, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R_K2

б) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₁

в) Уменьшить (увеличить) емкость С_Б2

г) Уменьшить (увеличить) сопротивление R_Б1

д) Уменьшить (увеличить) напряжение Е_К

9. Для схемы рис.1.8 получите выражение для расчета:

а) Длительности импульса на коллекторе транзистора VT1

б) Частоты повторений импульсов

10. Запишите условия обеспечения ключевого режима транзисторов в схеме рис. 1.10

11. Получите выражение для длительности импульса в схеме рис. 1.10

12.В схеме рис. 1.11 используется ОУ КР140УД708 с параметрами: U_П=5…17В; U_СМ0=6мВ; I_ВХ=0.4мкА; К_U=2000; f₁=0.8МГц; V/S=0.8; К_ОСС=72дб; R_ВХ=400к; R_ВЫХ=150 Ом; R_Н>1кОм

Определите параметры выходных импульсов, если: Е_П1= 12В, Е_П2=-12В; R₁=20кОм; R₂=20кОм; R₃=5кОм; C₁=0.01мкФ

13. Как изменятся параметры выходного напряжения в схеме рис. 1.11, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₁

б) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₂

в) Уменьшить (увеличить) емкость С₁

г) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₃

14.Выберите и рассчитайте значения элементов схемы рис. 1.13, обеспечивающих получение следующих параметров выходного напряжения:

U_M10В, f=20кГц, t_ф5мкс

15. В схеме рис. 1.15 используется микросхема 564ЛА7 (4 элемента 2И-НЕ). Напряжение питания микросхемы 10В. Значение единичного уровня равно 9В, нулевого- 2В. Пороги срабатывания принять соответственно 5В и 3В. Определить частоту колебаний, если: R₁=100 Ом; R₂=10кОм; C₁=0.01мкФ

16. В схеме рис.1.21а используется транзистор КТ201А. Транзистор управляется импульсами с длительностью t_и=20мкс и периодом 1мс. Амплитуда управляющего импульса равна 5В. Определить величину емкости С₁ , при которой амплитуда выходного импульса равняется 5В. Рассчитать коэффициент нелинейности, время возврата, если Е_П=15В, R₁=1кОм, R₁=5кОм

17. Как изменятся параметры выходного напряжения в схеме рис.1.21а, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₁

б) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₂

в) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₃

г) Уменьшить (увеличить) емкость С₁

д) Уменьшить (увеличить) напряжение Е_П

е) Уменьшить (увеличить) время t_и

ж) Уменьшить (увеличить) время T_П

18. Выведите соотношение для расчета коэффициента нелинейности в схеме рис.1.22а

19. В схеме рис.1.22а Е₀ =10В, частота импульсов управления 5кГц, длительность импульса управления t_и=10мкс. Найти амплитуду выходного напряжения.

20. Как изменятся параметры выходного напряжения в схеме рис.1.22а, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₁

б) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₂

г) Уменьшить (увеличить) емкость С₁

д) Уменьшить (увеличить) напряжение Е₀

е) Уменьшить (увеличить) время t_и

ж) Уменьшить (увеличить) время T_П

21. В схеме рис.1.24а U₀=5В, Е₀=10В R₁=10кОм, С₁=0.01мкФ. Найти параметры выходного напряжения.

22. Как изменятся параметры выходного напряжения в схеме рис.1.24а, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₁

б) Уменьшить (увеличить) емкость С₁

в) Уменьшить (увеличить) напряжение Е₀

г) Уменьшить (увеличить) напряжение U₀

д) Уровни сравнения на входах компараторов различны

е) Уровни напряжения на входах аналоговых переключателей различны

23. В схеме рис.1.25 используется транзистор КТ201А. Найти параметры напряжения на нагрузке, если: Е_П=10В, L₁=10мГн, L₂=2.5мГн, L₃=10мГн, R_Н=50Ом, R₁=200Ом, R₂=50кОм, R₃=50Ом, С₁=0.01мкФ

24. Как изменятся параметры выходного напряжения в схеме рис.125а, если:

а) Уменьшить (увеличить) сопротивление R₁

б) Уменьшить (увеличить) сопротивление R_Н

в) Уменьшить (увеличить) емкость С₁

г) Уменьшить (увеличить) напряжение Е_П

д) Уменьшить (увеличить) индуктивность L₁

е) Уменьшить (увеличить) индуктивность L₂

ж) Уменьшить (увеличить) индуктивность L_Н

46