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.