Блокинг-генераторы и их схемотехника

ВВЕДЕНИЕ

         Развитие всей современной радиоэлектроники  в  значительной мере связано  с развитием импульсной техники.  Такие, например, отрасли радиоэлектроники, как  радиолокация, управление  снарядами, телевидение, по  существу  основаны на применении импульсных  устройств и  методов и в  свою очередь стимулируют развитие  последних. Среди большого разнообразия  импульсных устройств значительное  место занимают генераторы импульсов. Блокинг-генератор представляет собой импульсный генератор в виде однокаскадного усилителя с положительной  обратной связью, создаваемой посредством трансформатора.

         Колебания, вырабатываемые блокинг-генератором,  характеризуются следующими важными  для практических применений  свойствами:

1. Небольшой  длительностью рабочих импульсов,  лежащей в пределах от нескольких  сотен микросекунд до десятых  долей микросекунды. За последнее  время созданы блокинг-генераторы, вырабатывающие импульсы длительностью  порядка  нескольких миллимикросекунд (или иначе наносекунд).

2. Практически  прямоугольной формой импульсов,  достигаемой за счет большой  крутизны фронтов при плоской  вершине. 

3. Высокой  скважностью генерации. Обычно  применяется скважность, лежащая  в пределах от сотен до десятков  тысяч, хотя в принципе она  может быть уменьшена и до  единиц.

4. Большой  мощностью рабочего импульса, достигаемой  за счет применения высокой  скважности. Токи в импульсе могут  достигать значений, в сотни раз  превосходящих предельные допустимые  значения этих же токов при  работе усилительного элемента  в непрерывном режиме. Это обусловливает,  в частности, малое внутреннее  сопротивление усилительного элемента  блокинг-генератора и, следовательно,  возможность использования его в качестве коммутатора (ключа).

         Следует добавить также, что  блокинг-генератор является весьма  экономичным устройством, так  как его усилительный элемент  (лампа или транзистор) отперт  и потребляет энергию источника  анодного (или коллекторного) питания  только в течение времени формирования  рабочего импульса. Остальную большую  часть периода усилительный элемент  заперт и не потребляет энергии  источника питания. Блокинг-генератор  может работать в режиме автоколебаний,  в ждущем режиме и в режиме  синхронизации. В последнем случае  при помощи блокинг-генератора можно осуществить деление частоты следования импульсов в  целое число раз.

         Перечисленными свойствами другие  генераторы  импульсов либо не  обладают, либо обладают в меньшей  степени. Кроме того, простота  схемы и надежность работы  сделали   выгодным применение блокинг-генераторов в ряде устройств. Например, они широко используются в индикаторных и синхронизирующих устройствах радиолокационных станций, в синхрогенераторах, в генераторах строчной и кадровой развертки в телевизионных устройствах, в модуляторах импульсных радиопередатчиков, в схемах счетчиков импульсов, в установках, посредством которых сравнительно низкое напряжение источника постоянного тока преобразуется к высокому напряжению постоянного тока (в этом случае роль блокинг-генератора аналогична роли прерывателя в схеме вибропреобразователя напряжения), и в других устройствах.

         Внедрение в радиоэлектронику полупроводников обусловило возможность построения блокинг-генераторов на транзисторах. Такие устройства созданы и надежно работают.

         Несмотря на простоту схемы блокинг-генератора, физические процессы в нем достаточно сложны. Это объясняется тем, что, во-первых, процессы существенно нелинейны, т. е. в общем не подчиняются закону Ома, во-вторых, приходится учитывать по меньшей мере два накопителя энергии: конденсатор и трансформатор обратной связи. 

ОДНОТАКТНЫЙ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР

         Существует несколько вариантов включения времязадающего конденсатора (рис.1...3).

         БГ может работать в следующих режимах:

- автогенераторном (благодаря Напряжению смещения);

- ждущем;

-  синхронизации.

         Благодаря гальванической развязке от нагрузки с помощью трансформатора выходные импульсы могут иметь любую полярность, частоту повторения - от нескольких единиц до сотен тысяч импульсов в секунду с большой скважностью и высокой крутизной фронтов (до десятых долей микросекунды).

         При работе блокинг-генератора в автоколебательном режиме на базу транзистора VT подают небольшое открывающее транзистор смещение; в ждущем режиме — запирающее смещение (последовательно с резистором R).

         При работе в режиме синхронизации частота подаваемых в базу транзистора импульсов должна быть выше, чем частота в режиме автоколебаний.

         Работает блокинг-генератор (рис.1) следующим образом. После подачи напряжения питания благодаря Ucm транзистор VT приоткрывается и обеспечивает прохождение тока через первичную обмотку импульсного трансформатора Т. Это приводит к тому, что сигнал ПОС благодаря наведенной в базовой обмотке ЭДС через конденсатор С поступает на базу транзистора и лавинообразно открывает его, в результате чего напряжение эмиттер-коллектор падает практически до нуля. При этом конденсатор быстро заряжается через базо-эмиттерный переход транзистора. Вследствие быстрого включения на вторичной обмотке трансформатора формируется импульс, крутизна которого ограничивается только индуктивностью рассеяния трансформатора (рис.4).

 Начальный  ток насыщения транзистора

где

rб' = rб/kб²— приведенное (к коллекторной нагрузке) сопротивление базы;

Rн' = Rн  /k² — приведенное сопротивление нагрузки;

kб = nб /n1 — коэффициент трансформации  для обмотки ОС (базовой);

k = n2 /n1—  коэффициент трансформации;

n1 —  число витков первичной обмотки;

n2 —  число витков вторичной обмотки;

nб —  число витков обмотки ОС.

         Амплитудное значение тока коллектора:

где L1 —  индуктивность первичной обмотки.

         На следующем этапе происходит дозаряд конденсатора и рассасывание накопленных в базе неосновных носителей. При этом напряжение Uкэ остается близким к нулю, т.о. формируется вершина импульса. Коллекторный ток во время формирования вершины не должен превышать допустимого значения в импульсном режиме Iкдоп. Отсюда индуктивность коллекторной обмотки

где tи — длительность импульса (время накопления).

         С другой стороны, чрезмерное увеличение индуктивности первичной обмотки приводит к возрастанию температурной нестабильности tи и нестабильности, вызываемой изменением нагрузки.

         С насыщением транзистора последний утрачивает усилительные свойства, рост тока в коллекторной цепи прекращается, в базовой обмотке уже не индуцируется ЭДС и ПОС в схеме уменьшается.

         К некоторому моменту времени конденсатор заряжается до максимального значения Ucm (рис.4), ток базы, а соответственно и ток коллектора, прекращаются.

         После рассасывания неосновных носителей транзистор выходит из насыщения и лавинообразно закрывается за счет противо-ЭДС, прикладываемой к базе транзистора. Коллекторный ток падает до нуля, напряжение на коллекторе начинает расти до Е и далее — до 2Е за счет ЭДС самоиндукции в трансформаторе, складывающейся с напряжением источника питания Е.

         Напряжение, прикладываемое к базе транзистора

         Оно не должно превышать допустимое Uэб max. Поэтому в цепь базы иногда включают защитный диод VD (рис.2), либо коллекторную обмотку трансформатора шунтируют диодом (VD1), иногда с последовательно включенным резистором (R3) как на рис.5.

         С момента полного запирания транзистора начинается разряд конденсатора С через резистор R, источник смещения и обмотку ОС. По мере разряда конденсатора напряжение на базе повышается, достигает напряжения отпирания транзистора и процесс повторяется.

Во избежание  колебательного характера переходного  процесса, что может привести к  преждевременному открыванию транзистора, должно выполняться условие

где Со = k_б Сэ + (1 + k_б)Ск,

Сэ и  Ск — емкости коллекторного и  эмиттерного переходов соответственно.

         Уменьшению паразитных колебаний способствует также демпфирующая цепочка в цепи базы, состоящая из последовательно включенных диода и резистора. По окончании выброса схема возвращается в исходное состояние и процесс повторяется.

         Длительность выходных импульсов tи зависит от скорости заряда конденсатора С, которая определяется постоянной времени цепи заряда τ_з = r_бС и может быть определена из достаточно сложного трансцендентного выражения, приведенного в [7]. При этом длительность импульсов находится в прямой зависимости от индуктивности L и емкости С, т.е., изменяя емкость конденсатора, можно регулировать длительность импульсов, снимаемых с нагрузки.

         Длительность паузы t_п, а следовательно и период повторения импульсов Т определяются временем разряда конденсатора С через резистор R при закрытом транзисторе, т.е. постоянной времени τ_p = RС  .

         Длительность паузы в идеализированной схеме:

Ucm —  напряжение смещения.

         При R>50 кОм необходимо учитывать сопротивления утечек запертых переходов транзисторов (которые имеют большой разброс), включенных параллельно R.

         На практике резистор R часто подключают к шине источника питания Е, в этом случае Ucm = E.

         В принципе, блокинг-генератор сохраняет работоспособность при наличии только одной реактивности: С или L. Случай отсутствия С, что эквивалентно С = ∞, когда исчезает понятие независимой паузы, используется в преобразователях постоянного напряжения.

         Осциллограммы токов и напряжений в характерных точках схемы приведены на рис.4.

         Схемы без резистора в цепи базы имеют следующие недостатки:

- длительность  импульса tи оказывается нестабильной из-за разброса параметров транзисторов;

- длительность  импульса заметно изменяется  с изменением питающего напряжения (связано с изменением глубины модуляции r_б с изменением напряжения питания).

         Введение резистора R в цепь базы с сопротивлением в 2...3 раза больше rб уменьшает влияние последнего на длительность импульса.

         Одновибратор (рис.5) может быть применен для формирования управляющих импульсов в тиристорных коммутаторах или регуляторах мощности. Длительность импульса:

         Для нормальной работы одновибратора необходимо выполнение условия:

где Т  — период запускающих импульсов.

         Для исключения влияния цепей запуска на работу одновибратора на его входе включают разделительный диод VD1 (рис.6), который запирается после открывания транзистора. Недостаток этой схемы — низкая помехоустойчивость.

ДВУХТАКТНЫЙ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР

         Двухтактный блокинг-генератор может применяться:

- для формирования низкого (2...3 В) напряжения, необходимого для управления мощными транзисторами;

- для формирования постоянных напряжений для питания устройств управления (мощностью 2...5 Вт), гальванически развязанных от питающего напряжения;

- в качестве мощного ПН.

         На рис.7 показана схема простого преобразователя на генераторе Ройера, работающего от первичного источника постоянного напряжения 12 В и обеспечивающего два уровня постоянного выходного напряжения — 650 и 325 В.

         Такие напряжения необходимы для работы различных радиоприемных устройств на лампах. С целью уменьшения габаритов трансформатора частота переключений выбрана около 1000 Гц. Транзисторы должны быть рассчитаны на постоянный ток не менее 20 А.

         Поскольку генератор Ройера чаще всего является генератором с насыщающимся трансформатором, который одновременно выполняет функцию времязадающего элемента, частоту автоколебаний определяют по формуле

где  Uвх = Е — напряжение, приложенное к первичной обмотке;

n1 — число витков коллекторной обмотки.

         Задавшись частотой преобразования и выбрав магнитопровод подходящего типоразмера, из формулы [3] определяют число витков коллекторной обмотки.

         Наиболее предпочтительное значение частоты переключения биполярных транзисторов с учетом элементной базы в настоящее время составляет примерно 30...50 кГц.

         Двухтактные преобразователи широко применяются в качестве ИВЭП при небольшой (до 50 Вт) мощности в нагрузке.

Их основные достоинства:

- простота  схемы;

-  отсутствие  подмагничивания магнитопровода;

- симметричная  форма выходного прямоугольного  напряжения;

- защищенность  от короткого замыкания (при  КЗ срывается генерация).

Недостатки:

- удвоенное  значение преобразуемого напряжения  между эмиттером и коллектором закрытого транзистора;

- увеличение  тока коллектора в конце полупериода,  что увеличивает потери в транзисторах, вызывает их перегрузку по току и уменьшает надежность;

- насыщение  магнитопровода трансформатора  в конце полупериода, что увеличивает  потери в магнитопроводе и  уменьшает КПД инвертора.

         Указанные недостатки затрудняют использование двухтактных преобразователей с самовозбуждением при мощности более 50 Вт.

         На практике стараются избегать насыщения сердечника, выбирая достаточно большое его сечение и задаваясь достаточно малым значением Вm. При этом период колебаний рассчитывают по формуле

         Из формулы (10) видно, что частота обратнопропорциональна индуктивности коллекторной обмотки и не зависит от напряжения питания Е. Частота увеличивается с током нагрузки, т.е. с уменьшением Rн.

Необходимо  выполнение условий:

         Обычно стараются выполнять условие R'н < r'6, с тем чтобы мощность в основном рассеивалась в нагрузке и КПД за счет этого был достаточно высок.

         Для большинства транзисторов коэффициент трансформации базовой обмотки ограничен допустимым обратным напряжением эмиттерного перехода.

Сопротивление R6 определяют из условия насыщения  транзистора

где U6 - напряжение базовой обмотки;

U6э - напряжение на базоэмиттерном переходе насыщенного транзистора;

kнас - коэффициент насыщения (избыточности тока базы).

         При увеличении коэффициента насыщения уменьшается величина остаточного напряжения, но вырастают потери в цепи базы транзистора. При относительно малых мощностях нагрузки выбирают kнас в пределах 1,2...2, при больших — 2...3, при этом суммарная мощность, рассеиваемая в цепях коллектора и базы транзистора, становится минимальной.

         Мощный преобразователь с включением транзисторов по схеме ОК показан на рис.8.

         Наводимое во вторичной обмотке трансформатора переменное напряжение прямоугольной формы может быть выпрямлено и использовано для получения постоянного выходного напряжения. Мощность преобразователя зависит от примененных транзисторов и габаритной мощности трансформатора. Достоинство такого решения в том, что транзисторы можно устанавливать на общем радиаторе. Простейшая схема преобразователя вызывает значительное недоиспользование транзисторов по току коллектора (из-за эффекта модуляции толщины "активной" области базы при закрывании транзистора), т.к. номинальный ток коллектора не может быть больше

где Iкmд — максимально допустимый импульсный ток коллектора.

         С целью уменьшения потерь в цепях смещения пусковая цепочка может быть управляемой, при этом импульсы тока смещения могут подаваться в базу одного из транзисторов, например как показано на рис.9.

Фиксация  амплитуды тока коллектора на заданном уровне Iкm < (1,2...1,5)Iн позволяет:

- максимально  использовать транзисторы по  току;

- повысить  КПД за счет уменьшения коммутационных  потерь;

- уменьшить  импульсные помехи;

-  получить  строго симметричные по полупериодам импульсы напряжения и тока.

         Вариант фиксации тока коллектора с помощью "самозащищенного" транзистора показ на рис.10. Закрывание силовых транзисторов осуществляется шунтирующими транзисторами при фиксированном значении Iкm, а протекание насыщающего базового тока происходит по контуру: базовая обмотка Т1 — эмиттерный переход открытого силового транзистора VT3 (VT4) — датчик тока R3 (R4) — шунтирующий транзистор VT1 (VT2) в инверсном включении — базовый резистор R2. Такое решение вполне пригодно для двухтактных преобразователей мощностью до 5 Вт, а также для одно-тактных.

         При значительно больших мощностях с применением таких транзисторов как КТ908, КТ819, КТ826 и т.п. время рассасывания, а соответственно и длительность интервала неконтролируемого увеличения тока увеличиваются до 1...3 мкс, в результате чего на частотах около 20 кГц магнитопровод трансформатора к моменту выхода транзистора в активную область оказывается в режиме глубокого насыщения, и амплитуда тока коллектора Iкm может постигать (5...8)Iном.

         Для исключения заметного роста тока намагничивания к началу коммутационных процессов в качестве времязадающего элемента используют не трансформатор преобразователя, а внешние цепи. При этом материал магнитопровода перемагничивается не по предельной петле гистерезиса, а по частному циклу с Bm < Bs.

         Мощный преобразователь напряжения, в котором выходной двухтактный инвертор управляется от двухтактного блокинг-генератора (рис.11) предназначен для питания различной радиоаппаратуры напряжением 220 В, 50 Гц мощностью до 100 Вт. В качестве трансформатора Т1 использован стандартный трансформатор ТАН-107-220-400, в качестве выходного Т2 — самодельный трансформатор на ШЛ25х40.

         Первичная обмотка Т2 содержит 55+55 витков провода ПЭВ-2 1,2; вторичная — 900+100+100 витков провода ПЭВ-2 0,3. КПД преобразователя достаточно высок — около 0,8. Подобные преобразователи при соответствующих элементной базе и частоте преобразования могут использоваться при выходной мощности до 1 кВт.

ВЫВОД

        Достоинствами блокинг-генераторов являются сравнительная простота, возможность подключения нагрузки через трансформатор, присущая этим схемам способность формировать мощные импульсы, близкие по форме к прямоугольным. Эти и ряд других свойств схем обусловили их широкое применение в устройствах автоматики, регулирования и промышленной электроники.

        Среди многообразия случаев использования блокинг-генераторов можно .выделить четыре главные: в качестве формирователей импульсов, как сравнивающие устройства — компараторы, как импульсные автогенераторные схемы и как делители частоты.

        При использовании в качестве формирователей импульсов блокинг-генераторы работают в ждущем режиме. Важнейшими их характеристиками являются: чувствительность к запуску, длительность формируемых импульсов и ее стабильность, предельно достигаемая частота срабатываний.

        При использовании в качестве компаратора от блокинг-генератора прежде всего требуется высокая чувствительность к запуску, так как только при этом условии можно добиться, чтобы минимальная разность между сравниваемыми сигналами вызывала срабатывание устройства.

        Важнейшим показателем блокинг-генератора, работающего в автоколебательном режиме, является частота генерируемых импульсов и ее стабильность, а работающего в режиме деления частоты — стабильность коэффициента пересчета, т. е. отношения частоты повторения входных импульсов к частоте повторения выходных. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Регельсон Л.М. - Блокинг-генератор (1961)

2. Петров А. - Блокинг-генератор и его применение (1996)

3. Глебов Б.А. Блокинг-генераторы на транзистора. (1972)

4. http://bse.sci-lib.com/article122120.html

5. http://naf-st.ru/articles/generator/blok/