Как работает блокинг генератор

Блокинг-генератор

В этой статье я поведаю вам о том, что такое блокинг-генератор.

Блокинг-генератор — это генератор импульсов сравнительно небольшой длительности и большого периода. Он работает благодаря трансформаторной обратной связи. Из-за простоты блокинг-генератор широко применяют в компактных преобразователях напряжения (например в каждой второй схеме электронной зажигалки можно встретить эту схему).

Вот это блокинг-генератор(одна из многих вариаций этой схемы):

Как видите, он реально прост в сборке. Самая сложная часть в нем — это трансформатор.Но обо всем по порядку.

1) Принцип работы

Сначала обмотка 2 работает как «резистор», т.е. через нее и резистор протекает ток, который начинает открывать транзистор.Открывание транзистора приводит к появлению тока в обмотке 1, а это в свою очередь приводит к появлению напряжения на обмотке 2, т.е. напряжение на базе транзистора увеличивается еще, он открывается еще больше, и так происходит до тех пор, пока сердечник или транзистор не войдет в насыщение. Когда это произошло, ток через обмотку 1 начинает уменьшаться, следовательно напряжение на обмотке 2 меняет полярность, что приводит к закрыванию транзистора.Все, цикл замкнулся!

2) Детали

Трансформатор обмотка 1 обычно в 2 раза больше обмотки 2, а число витков и диаметр провода подбираются в зависимости от напряжения на обмотке 3 и тока через нее.

Резистор обычно берут в пределах 1кОм — 4,7кОм.

Транзистор подойдет почти любой.

3) Тест

Сначала соберем базовую схему генератора. Трансформатор вот такой от балласта энергосберегающей лампы:

На нем я намотал сначала обмотку 2 (18 витков проводом 0,4мм)

Изолировал ее (подойдет обычная изолента)

А потом намотал и обмотку 1 (36 витков тем же проводом, что и 2-ую)

И наконец, вставил сердечник и зафиксировал его той же изолентой

На этом трансформатор готов.

Транзистор я выбрал мощный: кт805, потому что в обмотке всего 36 витков не самого тонкого провода(малое сопротивление).

Вот что у меня в итоге получилось:

Питание, как вы поняли, я буду брать от кроны.

Итак, с транзистором кт805, резистором 2,2кОм и обмоткой 1 в 2 раза больше обмотки 2, осциллограмма напряжения между коллектором и эмиттером выглядит так:

Амплитуда 60В, частота около 170кГц.

Теперь поставим резистор на 4,7кОм. Осциллограмма выглядит так:

Амплитуда около 10В, частота такая же.

Поставим теперь резистор 1кОм:

Амплитуда 120В, частота около 140кГц.

Теперь поставим обратно резистор 2,2кОм, и поменяем местами обмотки:

Амплитуда 80В, частота около 250кГц.

4) Вывод

Чем больше коэффициент обратной связи, тем быстрее нарастает сигнал, и частота выше.(чем меньше резистор, и больше соотношение число витков обмотки 2/число витков обмотки 1, тем больше коэффициент ОС).Еще на ОС влияет коэффициент усиления транзистора.

5) Практическая польза

Вы наверняка заметили, что я ни слова не сказал про обмотку 3. Она нужна для того, чтобы снять выходное напряжение.

Давайте посмотрим что будет, если намотать в обмотку 3 100 витков провода 0,08мм:

Сначала нам, конечно, нужно домотать трансформатор. Изолируем в прошлом последний слой:

Теперь наматываем 100 витков провода 0,08. Собираем сердечник. НА ВЫХОД ЦЕПЛЯЕМ ДИОД (можно любой с обратным напряжением не менее 200В. Например я взял дешевый и распространенный 1n4007). Спаиваем схему:

Диод нужен для отсекания отрицательных выбросов. Смотрим осциллограмму на выходе:

Постоянная составляющая 50В, импульсы амплитудой 50В. Чтобы убрать импульсную составляющую, поставим конденсатор на выходе. Подойдет 0,1мкФ:

Постоянное напряжение амплитудой 100В.

Небольшие колебания амплитудой 50мВ.

И наконец, полная схема:

Если генерации нет, впаяйте параллельно резистору конденсатор на пару микрофарад.

Блокинг-генератор. Расчёт блокинг-генератора

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о мультивибраторах, которые предназначены для генерирования прямоугольных импульсов. Но для этой, же цели применяются и другой тип генератора, который называется блокинг-генератором. Вообще же блокинг-генератор – это регенеративное устройство (генератор импульсов), основанное на однокаскадном усилителе, обратная связь в котором создаётся за счёт импульсного трансформатора.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Основное предназначение блокинг-генераторов заключается в создании мощных коротких импульсов с крутыми фронтами и большой скважностью. В настоящее время они используются в импульсных блоках питания в качестве задающих генераторов

Так же как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в следующих режимах: автоколебательном, ждущем, синхронизации и деления частоты, но наиболее распространенным являются автоколебательный и ждущий режимы.

Автоколебательный блокинг-генератор

Как говорилось выше, автоколебательный блокинг-генератор является наиболее распространённым. Давайте рассмотрим его устройство и принцип работы на основе простейшей схемы, которая изображена ниже

Простейшая схема автоколебательного блокинг-генератора.

Простейший блокинг-генератор состоит из транзистора VT1 по схеме с общим эмиттером, трансформатора обратной связи Т1, демпфирующей цепи в виде диода VD1, времязадающей цепочки R2C1, базового резистора R1 и сопротивления нагрузки Rн.

Рассмотрим работу блокинг-генератора на основе временных диаграмм его работы, которые представлены ниже

Временные диаграммы работы блокинг-генератора.

Первая стадия (формирование фронта импульса) начинается в момент времени t₀, то есть в момент включения питания либо по окончании периода предыдущего импульса. В этот момент транзистор оказывается заперт, а конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R2. По мере заряда конденсатора С1 увеличивается напряжение U_BE на базе транзистора VT1, что приводит к постепенному открытию транзистора и возрастанию коллекторного тока I_C. Возрастающий ток коллектора приводит к формированию ЭДС в трансформаторе и на его зажимах формируется возрастающее напряжение и ток пропорционально току коллектора транзистора VT1. Данная стадия заканчивается в момент времени t₁, когда транзистор перешёл полностью в режим насыщения.

Вторая стадия (формирование вершины импульса) начинается в момент времени t₁. После того как транзистор VT1 перешёл в режим насыщения на него уже мало влияет ток протекающий через базу транзистора, поэтому нарастание амплитуды импульса прекращается и начинает формироваться плоская вершина импульса. В данный период времени напряжение на зажимах трансформатора практически не изменяется, поэтому напряжение на коллекторе не изменяется, но так как происходит разряд конденсатора С1 уменьшается напряжение на базе транзистора VT1, а следовательно и ток базы I_b. По мере уменьшения тока базы I_b начинает уменьшаться ток коллектора I_C, но вследствие индуктивного характера коллекторной нагрузки, начинает увеличиваться ток намагничивания трансформатора, а, следовательно, и коллекторный ток транзистора VT1, в результате напряжение на коллекторе остаётся постоянным некоторое время, которое зависит от параметров трансформатора Т1.

Третья стадия (формирование среза импульса) начинается в момент времени t₂. В это время ток подмагничивания уменьшается и транзистор VT1 начинает закрываться под воздействием уменьшающегося тока базы I_b, вследствие разряда конденсатора С1. Когда транзистор полностью закроется коллекторный ток уменьшится практически до нуля и потенциал на выводах трансформатора Т1 также уменьшится, но вследствие этого в обмотках трансформатора возникнет ток обратный току коллектора I_C и соответственно току базы I_b, что приведёт к ещё быстрейшему разряду конденсатора и образованию отрицательного всплеска напряжения на базе. Отрицательный импульс напряжения на базе транзистора VT1 ещё быстрее разрядит конденсатор, что уменьшит продолжительность среза импульса по сравнению с фронтом.

Четвёртая стадия (восстановление) начинается в момент времени t₃. В это время транзистор находится в полностью закрытом состоянии. В этот период времени происходит рассеивание энергии в конденсаторе и трансформаторе, запасённой в третьей стадии работы блокинг-генератора. В этот период времени в трансформаторе могут возникать некоторые колебательные процессы (изменение напряжения до уровня U_{K max}), что в общем случае нежелательны, поэтому для предотвращения этого параллельно коллекторной обмотке трансформатора включают различные демпфирующие цепи, в данном случае эту роль выполняет диод VD1.

Расчёт блокинг-генератора в автоколебательном режиме

Как любая электронная схема параметры работы блокинг-генератора полностью зависят от величин элементов составляющих схему, поэтому для расчёта необходимо задаться параметрами схемы.

Для расчёта блокинг-генератора обычно задаются следующими выходными характеристиками схемы: амплитуда импульсов U_m, период прохождения импульсов Т, длительность импульса τ_i, сопротивление нагрузки R_H.

Так как в настоящее время блокинг-генераторы очень часто используют в качестве задающих генераторов импульсных блоков питания, то для примера рассчитаем простейшую схему, на основе которой можно создать импульсный блок питания.

Зададим следующие параметры для расчёта: частота прохождения импульсов F = 50 кГц, скважность импульсов Q = 0,3, амплитуда выходных импульсов U_m = 5 В, сопротивление нагрузки R_H = 25 Ом, напряжение питания схемы Е_К = 310 В (выпрямленное сетевое напряжение).

1.Первым этапом расчёта является определение типа транзистора, как основного элемента схемы. Транзистор выбирается по следующим параметрам: максимально допустимое напряжение U_CBmax, максимально допустимый ток коллектора I_Cmax и предельная частота f_h21e.

где n_H — коэффициент трансформации из коллекторной обмотки в обмотку нагрузки.

Примем I_C = 0,02 А

Данным параметрам удовлетворяет транзистор MJE13001 со следующими характеристиками:

• • тип транзистора: NPN;
  • U_CBmax = 600 В;
  • U_BЕmax = 7 В;
  • I_Cmax = 0,2 А;
  • I_CBO = 10 мкА;
  • f_h21e = 8 МГц;
  • h_21e = 5…30;
  • r_b ≈ 200 Ом.

  2.Определим величину сопротивления R1

  

  Примем значение R1 = 390 Ом.

  3.Рассчитаем параметры импульсного трансформатора. Коэффициент трансформации для выходной обмотки n_H

  

  Коэффициент трансформации для обмотки в цепи базы n_B

  

  где U_b – напряжение на базе транзистора VT1.

  

  Выберем U_B = 5 В. Тогда

  

  Индуктивность коллекторной обмотки трансформатора

  

  где t_i – длительность импульса;

  R’_H – приведённое сопротивление нагрузки;

  r’_b – приведённое к коллекторной нагрузке сопротивление базы.

  Определим длительность импульса и приведённые сопротивления

  

  где r_b – внутреннее объемное сопротивление базы. Тогда

  

  Тогда индуктивность первичной обмотки будет равна

  4.Определим величину сопротивления R2 и емкость конденсатора С1. Ёмкость конденсатора С1 определится из следующего условия

  

  Примем С1 = 12 нФ
  Сопротивление резистора R2

  

  Примем R2 = 62 кОм.

  5.В коллекторную цепь транзистора необходимо включать демпфирующую цепочку. Она позволяет ограничить всплески импульсов на трансформаторе, вследствие чего уменьшаются импульсные помехи и вероятность пробоя транзистора. В данном случае применена простейшая демпфирующая цепь в виде диода VD1, который должен удовлетворять следующим условиям

  

  Данным параметрам удовлетворяет диод типа 1N4004.

  Более подробно о демпфирующих цепях я расскажу, когда будем рассматривать индуктивные элементы и импульсные источники питания.

  Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

  Как работает блокинг генератор

  Простота схемы блокинг-генератора обманчива. На самом деле, процессы, протекающие в генераторе, довольно сложны, даже если их рассматривать лишь на качественном уровне, без аналитического описания. Тем не менее, вопрос о принципе действия блокинг-генераторов очень интересен, пусть блокинг-генераторы сейчас уже и не столь актуальны, как прежде.

  Смотрите также
  Блокинг-генератор [Схемотехника]
  Анализ процессов в блокинг-генераторе
  Расчёт блокинг-генератора

  Принцип действия блокинг-генератора

  Рассмотрим принцип действия блокинг-генератора, построенного по типовой схеме (рис. %img:cir).

  

  Рис. %img:cir. Типовая схема блокинг-генератора

  В начальный момент времени, сразу после включения питания, конденсатор C1 разряжен; напряжения на обмотках трансформатора нулевые; нулевым тогда будет и напряжение на базе транзистора Q1, а значит, он будет закрыт (режим отсечки), его базовый и коллекторный токи практически равны 0.

  

  Рис. %img:osc. Графики процессов в блокинг-генераторе

  Постепенно конденсатор C1 заряжается от источника V через резистор R1, а значит, напряжение на базе транзистора Q1 увеличивается. Но пока что транзистор остаётся в закрытом состоянии и это продолжается до тех пор, пока напряжение на C1 не достигнет определённого порогового значения, при котором транзистор Q1 начнёт открываться, т.е. до величины около 0.5. 0.6 В (момент t₁ на графике).

  После того, как транзистор Q1 начал открываться, появляется небольшое падение напряжения на его коллекторной нагрузке — первичной обмотке L1 трансформатора T1. На вторичной обмотке L2 индуцируется напряжение, пропорциональное напряжению на первичной; оно суммируется с напряжением на C1 и ещё больше увеличивает напряжение на базе Q1. Транзистор продолжает открываться, ток через L1 растёт с большей скоростью, индуцируя большее напряжение на L2, а это увеличивает напряжение на базе и ещё больше открывает транзистор.

  Описанный процесс развивается лавинообразно, очень быстро завершаясь переходом транзистора в состояние насыщения (транзистор оказывается полностью открыт). На графике (рис. %img:osc) процесс выглядит как мгновенное переключение, хотя на самом деле имеет конечную длительность. Для того чтобы различить детали процесса переключения, потребуется очень сильно растянуть график по оси времени. На рис. %img:zzz изображено примерное поведение напряжения на коллекторе Q1 в процессе переключения транзистора в открытое состояние (график сильно растянут по оси времени по сравнению с основным графиком на рис. %img:osc). Но сейчас не будем подробно останавливаться на этом вопросе.

  

  Рис. %img:zzz. График напряжения на коллекторе транзистора в блокинг-генераторе в процессе переключения транзистора в открытое состояние

  Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора составляет десятые доли вольта, а в первом приближении его можно считать нулевым. Это означает, что напряжение источника V оказывается практически полностью приложено к первичной обмотке трансформатора — индуктивности L1. Так формируется вершина импульса (интервал t₁. t₂ на рис. %img:osc). Если пренебречь последовательно соединёнными с L1 сопротивлениями (такими, как собственное активное сопротивление обмотки, сопротивление ключа-транзистора, внутреннее сопротивление источника питания, вносимое эквивалентное сопротивление как результат наличия нагрузки на вторичных обмотках трансформатора), то ток через индуктивность при открытом транзисторе будет изменяться по линейному закону. Если за точку отсчёта времени принять момент t₁ переключения транзистора в открытое состояние (т.е. принять, что t₁ = 0), то ток через индуктивность $$ i_(t) = \frac 1 V t $$ (справедливо, пока транзистор открыт и ток не слишком велик, чтобы можно было пренебречь последовательными с L1 сопротивлениями). Длительностью переключения, происходящего в момент t₁, здесь пренебрегаем ввиду её малости.

  Итак, при открытом транзисторе Q1, к индуктивности L1 приложено напряжение, практически равное V и ток через индуктивность линейно возрастает со временем. Линейно будет нарастать и магнитный поток, пронизывающий обмотки трансформатора. На вторичной обмотке L2 при этом наводится напряжение, пропорциональное напряжению на первичной, $$ u_ = V / n, $$ где n — коэффициент трансформации. За счёт наводимого на L2 напряжения, транзистор Q1 поддерживается в открытом состоянии. С помощью резистора R2 мы ограничиваем базовый ток транзистора так, чтобы он не превышал некоторого разумно выбранного и безопасного для транзистора значения. Резистор может отсутствовать в том случае, если наводимое на L2 напряжение крайне невелико, однако при этом очень возрастает зависимость характеристик генератора от параметров транзистора, которые, в свою очередь, имеют сильную зависимость от температуры и прочих условий работы. Поэтому далее считаем, что для блокинг-генератора выбран такой режим работы, при котором управляющее напряжение, получаемое с обмотки L2, достаточно велико (порядка единиц вольт) и резистор R2 в схеме присутствует.

  Ток через L1 возрастает не безгранично, ограничивающим фактором является либо выход транзистора Q1 из режима насыщения, либо насыщение магнитопровода трансформатора, смотря, что произойдёт раньше. Результат будет одинаковым, но в обычном режиме работы блокинг-генератора, насыщения сердечника трансформатора избегают, так что стадия роста тока ограничивается первым фактором — выходом транзистора из состояния насыщения. Причём, важную роль в этом играет разделительный (хронирующий) конденсатор C1.

  Ток базы транзистора протекает по цепи R2, L2, C1 (током через R1 на стадии формирования импульса в блокинг-генераторе в первом приближении можно пренебречь). Проходя через конденсатор C1, ток базы заряжает (или перезаряжает) конденсатор: напряжение на нём снижается (и даже может перейти в область отрицательных значений), так как верхняя по схеме обкладка конденсатора подключена к выводу обмотки с отрицательным на данной стадии процесса потенциалом. Напряжение, прикладываемое к участку цепи резистор R2 — база транзистора Q1, равно сумме напряжений на C1 и на L2. Считаем напряжение на L2 неизменным на стадии формирования импульса и равным V / n. Тогда суммарное напряжение, за счёт уменьшения напряжения на конденсаторе, снижается, что приводит к уменьшению базового тока. Коллекторный ток транзистора в это же время продолжает линейно расти, поскольку при насыщенном транзисторе, он определяется практически только свойствами подключённой к коллектору цепи — то есть током через L1. Транзистор остаётся в насыщенном состоянии до тех пор, пока между базовым и коллекторным токами транзистора выполняется соотношение $$ h i_ \gt i_, $$ где h — коэффициент усиления транзистора по постоянному току.

  Так как базовый ток снижается, а коллекторный — растёт, то наступит момент (t₂ на графике), когда $$ h i_ = i_, $$ в этот момент транзистор переходит в активный режим. В результате начинает увеличиваться напряжение коллектор-эмиттер, а напряжение, приложенное к L1 — уменьшается. Уменьшается и индуцируемое на L2 напряжение, что ещё в большей степени снижает базовый ток транзистора. Развивается лавинообразный процесс, результатом которого становится быстрый переход транзистора в полностью закрытое состояние (режим отсечки).

  Процесс прерывания тока в коллекторной цепи транзистора Q1 развивается столь быстро, что на L1 индуцируется довольно высокое напряжение, которое в сумме с напряжением источника питания прикладывается к коллектору транзистора и способно привести к пробою и выходу транзистора из строя. Чтобы избежать этого, прибегают к ограничению скорости переходного процесса в индуктивности (на графике переходный процесс может считаться завешённым к моменту t₃) или, что то же самое — к ограничению напряжения на индуктивности во время переходного процесса с помощью демпферной цепи. В данном случае демпферной цепью является цепь D1, R3. В реальных устройствах функции демпфера может выполнять полезная нагрузка.

  Во время переходного процесса в L1, который сопровождается формированием импульса напряжения на L1, на вторичной обмотке формируется пропорциональный импульс напряжения, который является обратным (запирающим) для транзистора Q1 и гарантированно поддерживает транзистор в закрытом состоянии. Так как транзистор заперт, базовым током можно пренебречь и считать, что этот импульс не влияет на напряжение на хронирующем конденсаторе C1.

  Переходный процесс в L1 сравнительно быстро завершается и на обмотках трансформатора устанавливаются нулевые напряжения. Напряжение на базе транзистора оказывается равным напряжению на конденсаторе C1, которое пока что ниже порога, при котором транзистор начинает открываться. Транзистор закрыт (его базовый ток практически равен 0 и не влияет на заряд конденсатора C1), конденсатор C1 в это время заряжается через резистор R1 от источника V. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет порога, при котором транзистор начинает открываться (момент времени t₄). После чего процессы в блокинг-генераторе полностью повторяются: лавинообразно открывается транзистор; начинается линейный рост тока в L1 (стадия формирования импульса в блокинг-генераторе) и т.д.

  Выяснив принцип работы блокинг-генератора, можем перейти к аналитическому описанию процессов в нём:
  Анализ процессов в блокинг-генераторе
  Полученные в результате анализа блокинг-генератора соотношения, позволяют выполнять расчёт блокинг-генератора, т.е. вычисление параметров всех элементов генератора для построения генератора с заданными характеристиками:
  Расчёт блокинг-генератора

  Принцип действия L-генератора

  L-генератор очень похож на блокинг-генератор и отличается лишь отсутствием разделительного конденсатора.

  

  Рис. %img:l-osc. Схема L-генератора

  Принцип действия тоже очень похож. После включения питания, за счёт делителя R1, R2, на базе транзистора Q1 создаётся начальное смещение. Оно должно быть достаточным для того, чтобы транзистор перешёл в активный режим работы, т.е. должно составлять не менее 0.5 В. За счёт смещения на базе, транзистор начинает открываться, создавая падение напряжения на своей нагрузке — первичной обмотке L1 трансформатора T1. В результате на вторичной обмотке L2 индуцируется напряжение, пропорциональное напряжению на первичной обмотке; напряжение на вторичной обмотке увеличивает напряжение на базе транзистора, который за счёт этого открывается ещё больше и т.д. Развивается лавинообразный процесс, результатом которого становится переход транзистора в режим насыщения; напряжение источника питания V практически полностью оказывается приложенным к первичной обмотке трансформатора; на вторичной обмотке индуцируется напряжение V / n, которое удерживает транзистор Q1 в состоянии насыщения.

  

  Рис. %img:l-osc2. Вариант реализации L-генератора

  Следующие графики поясняют процессы, происходящие в L-генераторе, схема которого с указанием номиналов элементов приведена на рис. %img:l-osc2.

  

  Рис. %img:glo.
  Верхний график, vc(Q1), зелёная линия — напряжение на коллекторе транзистора;
  средний график, vb(Q1), синяя линия — напряжение на базе транзистора;
  нижний график, i(L1), красная линия — ток в индуктивности L1.

  В отличие от обычного блокинг-генератора, в L-генераторе, в процессе формирования импульса (пока транзистор открыт), базовый ток практически не изменяется (рис. %img:glo2). Этот ток определяется сопротивлением резистора R2, индуцированным напряжением на вторичной обмотке V / n и падением напряжения база-эмиттер транзистора Q1. Впрочем, это отличие не является принципиальным, оно лишь упрощает расчёт генератора.

  

  Рис. %img:glo2. Напряжение на коллекторе транзистора (верхний график) и базовый ток (нижний график) в L-генераторе.

  Когда растущий коллекторный ток насыщенного транзистора, который определяется нагрузкой, т.е. током через L1, достигает величины, при которой транзистор переходит из режима насыщения в активный режим, напряжение на коллекторе транзистора начинает расти, соответственно, на L1 оно снижается, следовательно, снижается индуцируемое на L2 напряжение, а это приводит к уменьшению базового тока транзистора. В свою очередь, это вызывает дальнейшее снижение напряжения на коллекторной нагрузке L1 и ещё большее снижение напряжения на вторичной обмотке и базе транзистора. Начинается быстрый процесс перехода транзистора в закрытое состояние. Так завершается стадия формирования импульса.

  Когда транзистор переключается в закрытое состояние, начинается переходный процесс в индуктивности L1, в ходе которого накопленная в магнитном поле трансформатора энергия рассеивается на нагрузке или демпферной цепи, а ток в L1 при этом постепенно убывает. В это время на L2 индуцируется напряжение противоположной полярности по отношению к напряжению во время стадии формирования импульса; обратное напряжение надёжно удерживает транзистор в закрытом состоянии.

  Когда переходный процесс в L1 подходит к завершению и обратное напряжение на L2 по абсолютной величине очень сильно снижается, за счёт смещения, создаваемого делителем напряжения R1, R2, транзистор вновь начинает открываться и начинается формирование очередного импульса.

  Основное отличие L-генератора от обычного блокинг-генератора состоит в том, что в L-генераторе запуск процесса формирования нового импульса происходит сразу после завершения предыдущего импульса и затухания переходного процесса в индуктивности L1. В случае L-генератора мы теряем возможность свободно управлять длительностью паузы между импульсами, пауза здесь определяется свойствами демпферной цепи или нагрузки.

  Следует иметь в виду, что в L-генераторе резистор R2 не только ограничивает максимальный ток базы транзистора, не только влияет на длительность импульса, но и наряду с R1 является элементом, задающим начальное смещение на базе транзистора Q1. Резистор должен быть выбран с таким расчётом, чтобы начальное смещение оказалось достаточным для запуска генератора (для вывода транзистора в активную область работы).

  Влияние нагрузки на работу блокинг-генератора

  Нагрузка или демпферная цепь может сильно влиять на работу блокинг-генератора, совершенно изменяя обычный режим работы устройства. Простейший случай — демпферная цепь, которая сильно затягивает переходный процесс. Если длительность переходного процесса оказывается больше интервала, задаваемого резистором R1 и хронирующим конденсатором, то уже демпферная цепь будет в большей степени определять длительность паузы между импульсами, а не параметры хронирующей RC-цепи. Примером такой ситуации может послужить генератор с диодом в качестве демпфера.

  

  Рис. %img:tcf. Вариант реализации блокинг-генератора: длительность импульса 10 мкс, интервал между импульсами 50 мкс

  В статье "Расчёт блокинг-генератора" в качестве примера проектируется блокинг-генератор, генерирующий импульсы длительностью 10 мкс с интервалом 50 мкс между ними. Схема генератора с указанием параметров элементов изображена на рис. %img:tcf, а временные диаграммы процессов в этом генераторе — на следующем рисунке %img:tf.

  

  Рис. %img:tf. Временные диаграммы процессов в блокинг-генераторе с заданными характеристиками

  Заменим теперь используемую в этом генераторе демпферную цепь просто диодом (рис. %img:cir-lp).

  

  Рис. %img:cir-lp. Пример блокинг-генератора с "медленной" демпферной цепью

  Режим работы генератора в результате резко изменится (рис. %img:plp). Во-первых, импульсы на коллекторе приобретают красивую и правильную прямоугольную форму — диод эффективно подавляет всплески напряжения на индуктивности при переключении транзистора в закрытое состояние; амплитуда импульсов мало отличается от величины напряжения питания. Во-вторых, как и можно было ожидать, сильно затянутый переходный процесс в индуктивности увеличивает длительность интервала между импульсами. В-третьих, ток в индуктивности не успевает спадать до нуля во время пауз между импульсами; очередной импульс стартует при значительном, около 30 мА токе в индуктивности, соответственно, возрастает и пиковый ток — практически до 80 мА (при 50 мА в изначальной схеме); как результат, в некоторой степени (но незначительно) уменьшилась длительность импульса.

  

  Рис. %img:plp. Временные диаграммы процессов в блокинг-генераторе с демпфером, затягивающим переходный процесс

  Работа блокинг-генератора в режиме L-генератора

  Нагрузка или демпферная цепь способны не только растянуть интервал между импульсами, но и резко сократить длительность интервала. Таким свойством обладают демпферные цепи, ограничивающие напряжение на индуктивности на фиксированном уровне (демпферы со стабилитроном или с параллельной RC-цепью). Таким же свойством обладает нагрузка с выпрямителем и емкостным фильтром, как это бывает в обратноходовых импульсных источниках питания на основе блокинг-генератора.

  В качестве примера рассмотрим тот же самый блокинг-генератор, только теперь заменим его демпферную цепь цепью типа DZ (используем демпферную цепь со стабилитроном).

  

  Рис. %img:cir-sh. Пример блокинг-генератора с "быстрой" демпферной цепью

  Характерная особенность такого блокинг-генератора состоит в том, что интервал между импульсами определяется демпферной цепью: как только завершается переходный процесс в L1, сразу начинается формирование очередного импульса. Теряется возможность свободно управлять интервалом между импульсами с помощью резистора R1.

  

  Рис. %img:psp. Временные диаграммы в блокинг-генераторе с "быстрой" демпферной цепью

  Такое поведение генератора требует пояснения. Процесс формирования импульса и процесс переключения транзистора в закрытое состояние происходят обычным образом. Рассмотрим подробнее, что происходит после этого и что заставляет транзистор открыться раньше времени. Далее приведены поясняющие эти процессы временные диаграммы, сильно растянутые по оси времени.

  

  Рис. %img:pspz. Момент запуска процесса формирования очередного импульса в блокинг-генераторе с "быстрой" демпферной цепью

  Когда транзистор закрылся, ток в индуктивности L1 начинает убывать; стабилитрон демпферной цепи, через который замыкается ток индуктивности, поддерживает напряжение на ней неизменным; неизменным будет и напряжение на коллекторе транзистора. Это продолжается до тех пор, пока ток не снизится до нуля (момент t1 на рисунке). После того, как ток достиг нулевой величины, можно было бы ожидать скачкообразного падения до нуля напряжения на демпферной цепи и, соответственно, на индуктивности. Но этого не происходит. На самом деле, напряжение будет снижаться хотя и быстро, но не мгновенно. Причина — наличие заряженных параллельных индуктивности паразитных емкостей (собственная ёмкость индуктивности, ёмкость коллектор-эмиттер транзистора, ёмкость закрывшейся демпферной цепи). Ёмкости разряжаются через индуктивность, из-за чего ток через индуктивность, изменив направление, начинает расти. Иначе говоря, ток проходит через 0 и уходит в область отрицательных значений. В некоторый момент времени, накопленная паразитными емкостями энергия, будет передана индуктивности, это точка минимума на графике тока через индуктивность. Индуцируемое на обмотках напряжение в этот момент проходит через нулевое значение.

  В силу инерционных свойств индуктивности, ток через L1 продолжает течь в том же направлении, но убывая по абсолютной величине (на графике этот процесс изображается участком после точки минимума t2, на котором функция растёт). Напряжение на L1 при этом проходит через 0, меняет знак (становится положительным) и растёт (ёмкости, включённые параллельно индуктивности, начинают заряжаться током индуктивности в противоположной по отношению к первоначальной полярности). Пропорционально напряжению на L1, растёт напряжение на вторичной обмотке L2, увеличивая напряжение на базе транзистора Q1. В определённый момент транзистор начинает открываться, после чего, за счёт положительной обратной связи, происходит лавинообразное переключение транзистора в открытое состояние.

  Время между моментами t1, t3, т.е. от момента достижения током в L1 нулевого значения до запуска процесса формирования нового импульса в блокинг-генераторе, можно оценить по порядку величины как 1 / 4 . 1 / 2 от периода колебаний контура, образованного индуктивностью L1 и параллельной ей паразитной ёмкостью. В рассматриваемом примере, L1 = 2 мГн, ёмкость оценим величиной 5 пФ, тогда четвёртая часть периода колебаний образуемого ими контура составит около 160 нс, что соответствует тому, что можно видеть на графиках. За это время напряжение на L1 изменяется от отрицательного амплитудного до положительного амплитудного значения.

  По графикам нетрудно заметить, что напряжение на разделительном конденсаторе в процессе работы генератора, в установившемся режиме, изменяется незначительно. Размах колебаний напряжения на конденсаторе составляет порядка 60 мВ, в то время как в обычном режиме работы блокинг-генератора, размах составляет порядка 800 мВ. Поэтому влияние конденсатора на работу схемы в данном режиме невелико и можно говорить о работе блокинг-генератора в режиме L-генератора.

  Можно вернуть блокинг-генератор из L-режима в обычный режим работы, зашунтировав индуктивность L1 сопротивлением. Величина сопротивления зависит от суммарной параллельной ёмкости, но обычно желаемого эффекта удаётся добиться даже при достаточно большом шунтирующем сопротивлении, так что оно не оказывает значительного влияния на обычную работу генератора, а лишь предотвращает переход в L-режим.

  

  Рис. %img:cfsp. Подавление преждевременного запуска процесса формирования импульса в блокинг-генераторе

  Нетрудно убедиться, что получаемый результат аналогичен тому, что был в случае менее проблемной DR-демпферной цепи.

  

  Рис. %img:psps. Процессы в блокинг-генераторе с DZ-демпфером и шунтированием

  Тем не менее, такой генератор остаётся довольно своенравным устройством: при неудачном выборе шунтирующего сопротивления, при сильном отклонении напряжения питания от номинала и по иным причинам, иногда наблюдаются аномалии в работе генератора (паразитные колебания в окрестностях точек переключения транзистора; генерация пачек импульсов вместо одиночного импульса; генерация синусоидальных колебаний на отдельных интервалах времени или возврат в L-режим).

  Влияние инерционности транзистора на работу блокинг-генератора

  Возьмём уже рассмотренный блокинг-генератор, генерирующий импульсы длительностью 10 мкс с интервалом 50 мкс между импульсами и перестроим его таким образом, чтобы указанные временные параметры стали в 10 раз меньше: 1 мкс и 5 мкс соответственно. Расчёт блокинг-генератора будет рассматриваться далее, но, забегая вперёд, скажем, что для получения таких характеристик, достаточно в исходный блокинг-генератор внести минимальные изменения: уменьшить в 10 раз ёмкость хронирующего конденсатора C1 и индуктивности обмоток L1, L2. Получим следующую схему.

  

  Рис. %img:cfst. Пример реализации блокинг-генератора: длительность импульса 1 мкс, интервал между импульсами 5 мкс

  Нетрудно проверить, что если бы мы выполняли подобное масштабирование с увеличением длительности импульсов и интервалов между ними, то получили бы приемлемое соответствие получаемых и заданных характеристик (по крайней мере, с точностью не хуже 10%). В данном же случае, когда сильно уменьшаем длительность импульсов, получаем следующее: в то время как интервал между импульсами выдерживается с хорошей точностью, длительность интервала оказывается значительно больше ожидаемой. В данном случае она составляет почти 1.6 мкс (точность хуже 50%).

  

  Рис. %img:pfst. График напряжения на коллекторе транзистора в блокинг-генераторе (спроектированном из расчёта длительности импульса 1 мкс, интервала между импульсами 5 мкс)

  Объясняется полученный результат просто, всё дело в инерционности транзистора. Наиболее проблемным, как известно, является переключение транзистора из насыщенного режима в режим отсечки — это связано с длительным процессом рассасывания неосновных носителей, накопленных в области базы насыщенного транзистора. Длительность переключения транзистора из открытого (насыщенного) в закрытое состояние может в десятки, если не в сотни раз превышать длительность переключения из закрытого в открытое состояние. Особенно, если не предусмотрено средств ускорения процесса, например, с помощью импульса обратного тока. В обычном блокинг-генераторе средств ускорения нет — сам принцип работы генератора предполагает, что импульс обратного напряжения формируется только после того, как транзистор вышел из режима насыщения и перешёл в активный режим работы.

  

  Рис. %img:pfstz. Диаграмма процессов в блокинг-генераторе микросекундного диапазона

  Механизм удлинения импульса просто объяснить с помощью графиков. На рис. %img:pfstz в общих осях изображена кривая базового тока и масштабированная кривая коллекторного тока (ic(Q1) / h, где h — коэффициент усиления транзистора по постоянному току, в данном случае, принимаем равным 250). В статическом случае, точкой выхода транзистора из насыщения являлась бы точка A — точка пересечения двух кривых. Если бы в этот момент в блокинг-генераторе транзистор действительно вышел из насыщения, произошёл бы очень быстрый процесс переключения транзистора в закрытое состояние. И это произошло бы, как видим, как раз через 1 мкс после начала импульса, что нам и требовалось. В действительности же, из-за высокой инерционности процесса выхода транзистора из насыщенного состояния, после точки A транзистор по-прежнему остаётся полностью открытым, ток через L1 продолжает всё также линейно расти, как будто ничего не произошло. В данном случае это продолжается ещё примерно 0.6 мкс. Только после этого транзистор переходит в активный режим работы и за счёт положительной обратной связи начинается быстрый процесс переключения в закрытое состояние.

  Один из вариантов увеличения быстродействия транзисторного ключа — использование решений, предотвращающих насыщение транзистора, или, по крайней мере, не допускающих глубокого насыщения. Например, включение между базой и коллектором диода Шотки, который предотвращает насыщение, ограничивая разность потенциалов база-коллектор (в режиме насыщения потенциал базы выше потенциала коллектора; ограничивая максимальное значение разности потенциалов база-коллектор, предотвращаем насыщение; "излишний" ток базы при этом ответвляется через диод в цепь коллектора).

  

  Рис. %img:cfstx. Использование диода Шотки для увеличения быстродействия транзистора в блокинг-генераторе

  В результате получим импульсы даже короче заданного значения 1 мкс, что неудивительно — через хронирующий конденсатор в процессе формирования импульса течёт не только ток базы, но и ток через диод Шотки, что ускоряет его заряд/разряд и укорачивает импульс.

  

  Рис. %img:pfstx. Диаграмма процессов в блокинг-генераторе: результат применения диода Шотки для ускорения переключения транзистора

  Следующий график позволяет убедиться, что действительно, скорость переключения транзистора в закрытое состояние резко увеличилась:

  

  Рис. %img:pfstxz. Процессы в блокинг-генераторе с диодом Шотки; растянутый по оси времени фрагмент. Изображено: масштабированный к току базы ток коллектора; ток базы; напряжение на коллекторе

  Существуют и другие, в том числе с использованием обычных диодов, схемы, в основе которых лежит всё та же идея — предотвратить глубокое насыщение транзистора. Но это отдельная тема, здесь не будем на этом останавливаться.

  Блокинг генератор: принцип работы

  Устройства этого типа используются для создания сигналов с большой скважностью, повторяющихся редко. В них используется трансформатор, который включён в цепь обратной связи. Наличие гальванической развязки на выходе позволяет формировать высоковольтные импульсы. Эта особенность применяется для питания блоков строчной развёртки, катушек «Тесла».

  

  Как выглядит блокинг генератор

  Простую схему блокинг генератора можно собрать без затруднений в домашних условиях.

  Принцип работы

  Разобраться с функционированием блокинг генератора поможет схема, изображённая ниже.

  

  Принципиальная схема типового генератора

  В следующем перечне приведены основные этапы работы:

  • После подачи напряжения через резистор R1 происходит зарядка конденсатора C Время завершения этого процесса определяется параметрами данных элементов.

  Величину тока ограничивает сопротивление цепи, а напряжение на конденсаторных клеммах не успевает стать максимальным.

  • Как только оно достигло определённой величины, транзистор начнёт открываться. Ток начинает проходить по цепи: обмотка трансформатора – коллектор – эмиттер. На этом этапе, напряжение почти мгновенно становится максимальным, а ток увеличивается относительно медленно.
  • Он индуцирует ЭДС в обмотке трансформатора, соединённой с базой, что ещё больше увеличивает напряжение и открывает транзистор. Этот процесс завершается при насыщении сердечника трансформатора (материал не способен проводить магнитное поле определённой интенсивности). Также он прекратится при увеличении тока базы, до порога насыщения полупроводникового прибора.
  • Транзистор закрывается. Начинается зарядка конденсатора C Индуктивность обмотки трансформатора образует ЭДС с направлением, противоположным первоначальному. Это ускоряет закрытие транзистора.

  Принцип работы блокинг генератора проще понять с помощью временных диаграмм, которые иллюстрируют изменение электрических параметров в отдельных частях схемы.

  

  Диаграммы токов и напряжений

  Эти рисунки необходимо изучать совместно со следующим чертежом, на котором изображена другая принципиальная схема блокинг генератора.

  

  Схема блокинг генератора

  На рисунке выше не приведена определённая нагрузка (обозначение Rн). Диод выполняет демпфирующие функции. Он предотвращает броски напряжения, способные повредить транзистор.

  Описанные выше этапы хорошо видны на диаграммах. Ниже отмечены особенности, которые характерны для второй схемы:

  • Комбинацией t₀ отмечен момент, когда напряжение на базе транзистора недостаточно для его открытия.
  • Временной отрезок t₀ – t₁ обозначает период постепенного открытия транзистора. В конечной точке насыщение произошло, поэтому изменение тока в базе не оказывает влияние на форму импульса.
  • Однако разряд конденсатора происходит. Поэтому происходит постепенное уменьшение тока базы.
  • Так как нагрузка на коллекторе обладает индуктивными характеристиками, ток I_c не уменьшается. Продолжительность этого периода определяется параметрами сердечника трансформатора.
  • С точки t₂ начинается срез импульса. Ток, созданный индукцией, уменьшается, что провоцирует постепенное закрытие транзисторного ключа. На рисунках видно, когда появляется ток в обратном направлении. Этот процесс интенсифицирует разряд конденсатора. Скорость закрытия транзистора увеличивается, и срез получается крутым (образуется за малое время).
  • Точкой t₃ обозначен момент полного закрытия затвора транзистора. После него допустимо появление колебательных процессов. Для их блокировки в данной схеме установлен диод.

  Расчёт

  Принцип работы блокинг генератора понятен. Ниже приведён расчёт, который поможет правильно выбрать транзистор второй принципиальной схемы.

  Для примера использованы следующие исходные параметры:

  • частота (Ч) – 40 кГц;
  • скважность (С) – 0,25;
  • амплитуда (АМ) – 6 V;
  • сопротивление R_нг (нагрузки) – 30 Ом;
  • напряжения на выходе источника питания (НП) – 300 V.

  Допустимое напряжение базы-коллектора должно быть от 1,5 до 2 раз больше, чем НП. Для этого примера – от 450 до 600 V.

  Ток коллектора (I_к) определяют по формуле:

  Iк должен быть равен или больше чем ((3…5)*АМ*КТФ)/ R_нг.

  КТФ – это коэффициент, который учитывает особенности трансформации энергии (коллекторная – нагрузочная обмотки):

  Таким образом, допустимый ток коллектора должен быть больше следующих величин:

  ((3…5)*6*0,024)/ 30 = 0,0144…0,024.

  Максимальная частота (Ч_макс, кГц) рассчитывается по следующей формуле:

  Ч_макс≥(5…8) * Ч = (5…8) * 40 = 200…320.

  На основании полученных данных определяют тип транзистора.

  Параметры подходящего условного прибора:

  • максимальное напряжение коллектор-база (НКБ) – 620 V;
  • максимальное напряжение база-эмиттер (НБЭ) – 8 V$
  • максимальный ток коллектора (I_к) – 0,03 А;
  • ток коллектор-база (Iкб) – 12 мкА;
  • максимальная частота (Чмакс) – 1000 кГц;
  • сопротивление базы (Rб) – 250 Ом.

  

  Расчёт и практика позволяют собрать блокинг генератор своими руками

  Чтобы создать блокинг генератор правильно, необходимо знать теорию и практику, уметь сделать расчёт.

  Генератор на полевом транзисторе

  Принцип работы этого устройства не отличается от рассмотренных выше вариантов. Но в схему внесены изменения, которые существенно повышают эффективность использования электроэнергии, надёжность и долговечность.

  

  Схема блокинг генератора на полевом транзисторе

  Рекомендации для правильной сборки изделия:

  • Указанные на чертеже отечественные транзисторы и диоды можно заменить аналогичными импортными полупроводниковыми приборами с подходящими электрическими характеристиками.
  • Сопротивление R2 подбирают так, чтобы на C1 напряжение в режиме холостого хода не превышало уровень 450 V. Такая настройка предотвратит пробой полупроводникового перехода транзистора VT
  • Во избежание повреждения устройства, его нельзя включать без нагрузки.
  • Сопротивление R6 выполняет защитные функции. Его наличие позволяет отключать генератор от сети при разомкнутой цепи прерывателя S

  Видео. Блокинг генератор своими руками

  Одной из самых простых схем повышающих напряжение преобразователей является схема блокинг-генератора. Понимание принципов работы позволит без ошибок изготовить генератор с применением других схемотехнических решений.

  Похожие публикации:

  1. Acoustic noise mitigation что это
  2. Где купить светодиоды в москве
  3. Сколько стоит индукционная сварка
  4. Sprint layout как добавить макросы в библиотеку