Блокинг генератор на одном транзисторе с малым потреблением

Блокинг генератор на одном транзисторе с малым потреблением

Блокинг-генератор — релаксационный генератор с сильной трансформаторной положительной обратной связью.

При всей своей простоте, блокинг-генератор обладает рядом интересных возможностей. Если необходимо, блокинг-генератор способен обеспечить большую скважность генерируемых импульсов (скважность — отношение периода повторения импульсов к длительности импульса; большая скважность означает кратковременность импульса по сравнению с периодом повторения). Генерация сигнала с малой скважностью (или с большим коэффициентом заполнения, когда длительность импульса соизмерима с периодом повторения) также по силам блокинг-генератору и реализуется без проблем. Имея в схеме всего один транзистор, блокинг-генератор, тем не менее, способен генерировать достаточно мощные импульсы; существуют даже импульсные источники питания, основой которых является блокинг-генератор. Подобные источники питания имеют не самые выдающиеся характеристики, но благодаря их простоте и дешевизне, они в своё время получили довольно широкое распространение и их можно встретить даже до сих пор. Подробнее об этом смотрите «Блокинг-генератор в импульсных источниках питания».

Блокинг-генератор, схемы с общим эмиттером

Несмотря на простоту устройства блокинг-генератора, можно предложить немало вариантов схем, функционирующих сходным образом, но имеющих некоторые различия. За базовый вариант примем блокинг-генератор, схема * которого изображена на рис. %img:b1.


Рис. %img:b1

* Транзистор в блокинг-генераторе работает в ключевом режиме; переход между открытым и закрытым состоянием происходит очень быстро. Это означает, что в момент, когда транзистор закрывается, за счёт наличия индуктивности L1 в цепи коллектора (через которую протекает некоторый ток), на коллекторе индуцируется высокое напряжение, в некоторых случаях способное вывести транзистор из строя. Поэтому данная схема и последующие рассматриваемые здесь схемы, на самом деле, должны быть дополнены цепью, ограничивающей импульс напряжения, т.е. цепью, поглощающей энергию, накопленную индуктивностью первичной обмотки трансформатора. Такой цепью может быть нагрузка или специальная демпферная цепь. Подробнее этот вопрос обсуждается далее. Форма импульсов напряжения на коллекторе транзистора при использовании DR-демпферной цепи в блокинг-генераторе изображена на следующем графике (красным пунктиром на уровне 10 В обозначено напряжение питания данного блокинг-генератора).


Рис. %img:plt1

Под интервалом, в течение которого происходит формирование импульса, будем считать интервал времени, когда транзистор полностью открыт, следовательно, напряжение на коллекторе близко к нулю. На интервале между импульсами транзистор закрыт. В момент, сразу после переключения транзистора в закрытое состояние, на графике видим всплеск коллекторного напряжения за счёт переходного процесса в индуктивности; импульс напряжения по амплитуде может в несколько раз превышать напряжение питания. Затем напряжение на коллекторе постепенно спадает до напряжения питания генератора и остаётся на этом уровне до начала следующего импульса.

Вернёмся к схеме устройства. В рассматриваемой схеме транзистор Q1 является активным элементом; транзистор включён по схеме с общим эмиттером. Трансформатор T1 обеспечивает положительную обратную связь. Первичная обмотка трансформатора включается в цепь коллектора транзистора; вторичная — в базовую цепь. Резистор R2 ограничивает максимальный ток базы транзистора в те моменты, когда на вторичной обмотке присутствует открывающий транзистор импульс напряжения, а также, совместно с конденсатором C1, определяет длительность генерируемых импульсов. Резистор R1 и разделительный конденсатор C1, заряжающийся через этот резистор от источника питания V, определяют интервал повторения импульсов. Так как от ёмкости разделительного конденсатора зависят длительность импульса и период повторения импульсов, то этот конденсатор также иногда называют хронирующим. Принцип работы блокинг-генератора рассматривается в отдельной статье, а пока рассмотрим другие возможные варианты генератора.

Вам понравится:  На каких станциях метро есть розетки

Если изменим точку подключения резистора R1, получим несколько модифицированную схему (рис. %img:b2). Впрочем, по своим свойствам этот блокинг-генератор мало чем отличается от только что рассмотренного.


Рис. %img:b2

Данной схеме совершенно эквивалентна следующая схема:


Рис. %img:b2b

Изменяя способ подключения отдельных элементов, или добавляя дополнительные элементы, можно получить ещё несколько эквивалентных или почти эквивалентных модификаций схемы. Например, в цепь коллектора транзистора (последовательно с первичной обмоткой трансформатора) можно установить резистор (R3 на рис. %img:b1r), который будет ограничивать ток коллектора, тем самым защищая транзистор от перегрузки по току, а трансформатор от насыщения сердечника. Кроме того, R3 способствует стабилизации длительности генерируемых импульсов. Но такой вариант приемлем только в случае маломощных генераторов из-за значительного роста потерь на резисторе с увеличением мощности генератора.


Рис. %img:b1r

Теперь перейдём к более серьёзным и более интересным модификациям схемы блокинг-генератора.

L-генератор как вариант блокинг-генератора

Хронирующий конденсатор в схеме блокинг-генератора может отсутствовать; для его исключения, точки подключения конденсатора соединяют напрямую (формально, это эквивалентно включению конденсатора с бесконечной ёмкостью) или вместо конденсатора устанавливается ограничивающий ток резистор. При этом получается следующая схема:


Рис. %img:l

Блокинг-генератор без хронирующего конденсатора называют также L-генератором. Два ограничивающих ток резистора R2, R3 избыточны в данном случае (R2 может быть заменён перемычкой). Здесь схема изображена в таком виде, потому что от неё очень просто перейти к более общему случаю — гибридному варианту между обычным блокинг-генератором и L-генератором (рис. %img:lh).


Рис. %img:lh

В зависимости от выбора параметров элементов C1, R3, получим либо генератор, по свойствам более близкий к L-генератору (конденсатор малой ёмкости и резистор с небольшим сопротивлением), либо более близкий к обычному блокинг-генератору (при увеличении ёмкости конденсатора и увеличении сопротивления резистора). Конденсатор C1 малой ёмкости в L-генераторе полезен тем, что обеспечивает более стабильную генерацию, увеличивает крутизну фронтов импульсов, снижает влияние нагрузки блокинг-генератора на форму импульсов.

Для L-генератора более характерна генерация импульсов с небольшой скважностью (длительность импульсов соизмерима с длительностью интервалов между импульсами). Поэтому L-генератор более подходит, например, для использования в импульсных источниках питания, чем обычный блокинг-генератор.

Хорошо известен вариант L-генератора, адаптированный для случая, когда генератор питается очень низким напряжением (например, от одного гальванического элемента, в том числе подвергшегося глубокому разряду). В частности, это наиболее простой способ заставить работать светодиод от одного элемента питания, напряжение которого ниже напряжения зажигания светодиода (рис. %img:lv).


Рис. %img:lv

Отличие последней схемы от предыдущей состоит в том, что в связи с крайне низким напряжением питания, второй вывод (по схеме) вторичной обмотки трансформатора подключается не к общему проводу, а к положительному выводу источника питания. Так проще получить нужное начальное смещение на базе транзистора при столь низких напряжениях питания.

Светодиод в этой схеме является нагрузкой блокинг-генератора и одновременно выполняет функции демпфера, ограничивая величину импульса напряжения на коллекторе транзистора.

Блокинг-генератор, схемы с общей базой

Кроме уже рассмотренных схем блокинг-генератора, в которых транзистор включён по схеме с общим эмиттером, возможно построение блокинг-генератора с транзистором, включённым по схеме с общей базой. На следующем рисунке изображён вариант схемы с таким включением транзистора. В данном случае требуется включение в цепь эмиттера дополнительного источника V2 с небольшим напряжением с противоположной полярностью по отношению к основному источнику V1.


Рис. %img:cb

Можно обойтись и без дополнительного источника, если обеспечить соответствующее смещение в цепи базы, как это изображено на следующей схеме.

Вам понравится:  Какие провода нужны для розеток на кухне


Рис. %img:cb2

Блокинг-генератор с конденсатором в цепи эмиттера

Существует вариант блокинг-генератора с конденсатором в цепи эмиттера. Это нечто среднее между генератором по схеме с общим эмиттером и общей базой. Такой генератор также может быть с дополнительным источником питания или без него. Вариант без дополнительного источника изображён на следующем рисунке (рис. %img:ce1).


Рис. %img:ce1

Демпферная цепь для блокинг-генератора

Как уже отмечалось, для обеспечения безопасной работы транзистора в блокинг-генераторе, необходимо защитить его от воздействия импульсов высокого напряжения на коллекторе, индуцируемых первичной обмоткой трансформатора в моменты запирания транзистора.

Простейшая и хорошо известная всем защита от «индуктивных выбросов» — с помощью параллельного индуктивности обратно включённого диода.


Рис. %img:sn-d

Когда транзистор открыт, диод смещён в обратном направлении и практически не влияет на работу схемы. Когда транзистор закрывается, ток в индуктивности, который не может измениться скачком, продолжает течь в прежнем направлении и замыкается через диод; диод ограничивает напряжение на индуктивности крайне небольшой величиной (падение напряжения на открытом диоде).

Недостаток схемы — сильное затягивание переходного процесса в индуктивности: сопротивление открытого диода мало, соответственно постоянная времени LR-цепи, образуемой индуктивностью и диодом, велика, $$ \tau = L / R. $$ Можно объяснить это и иначе: скорость изменения тока через индуктивность пропорциональна напряжению на индуктивности, $$ \frac

= \frac 1 L u. $$ Диод, поддерживая низкое по абсолютной величине напряжение на индуктивности, делает скорость изменения тока через индуктивность очень низкой.


Рис. %img:sn-dr

Для ускорения переходного процесса используют последовательное включение диода и резистора: увеличивая сопротивление в LR-цепи, уменьшаем её постоянную времени. Правда, напряжение на индуктивности во время переходного процесса уже не близко к нулю, оно равно падению напряжения на резисторе, создаваемому током индуктивности (плюс небольшое падение напряжения на диоде); напряжение максимально в начальный момент переходного процесса, когда максимален ток через индуктивность, $$ U_ = R I_. $$ Напряжение на коллекторе транзистора, складывающееся из напряжения источника питания и напряжения на индуктивности, не должно превышать предельно допустимого значения для транзистора, учитываем это при выборе R.

Можно ещё более ускорить переходный процесс, используя встречно включённые диод и стабилитрон.


Рис. %img:sn-dz

В случае использования DR-демпферной цепи, по мере убывания тока в индуктивности, падение напряжения на резисторе уменьшается, и скорость изменения тока также уменьшается. В результате ток снижается нелинейно, по убывающей экспоненте, всё время замедляясь. Если вместо резистора включить стабилитрон, напряжение в течение всего переходного процесса остаётся практически неизменным (но, в то же время, строго ограниченным), а ток в индуктивности убывает линейно, с неизменной скоростью. Поэтому, при тех же ограничениях на пиковую величину напряжения, что и для DR-демпферной цепи, в случае DZ-цепи, переходный процесс завершается быстрее (как в изображённом на следующем графике примере).


Рис. %img:sn-cmp. Переходный процесс при использовании DR-демпферной цепи (синяя линия) и DZ-демпферной цепи (красная линия) при одинаковом начальном токе и одинаковом пиковом напряжении на индуктивности

С другой стороны, использование DZ-цепи может привести к определённым проблемам. Кроме индуктивности, в цепи обязательно имеется масса паразитных емкостей (собственная ёмкость самой индуктивности, ёмкость переходов транзистора, ёмкость монтажа, ёмкости диода и стабилитрона в демпфирующей цепи), образующих вместе с индуктивностью резонансный контур. В момент, когда апериодический переходный процесс в индуктивности завершается и демпферная цепь закрывается, в контуре начинается колебательный процесс. В случае блокинг-генератора это явление способно полностью нарушить работу устройства: энергии паразитных колебаний может оказаться достаточно для немедленного повторного запуска процесса формирования нового импульса сразу после завершения предыдущего импульса, без выдержки заданного интервала ожидания. При использовании DR-демпферной цепи, во-первых, переходный процесс в индуктивности завершается очень плавно, не вызывая заметного отклика в резонирующих цепях; во-вторых, наличие дополнительного резистора уменьшает добротность резонирующих цепей, подавляя нежелательные процессы.

Вам понравится:  Глубокие монтажные коробки под розетки

Ещё одна проблема — не всегда есть в наличии стабилитрон с требуемыми параметрами, особенно в случае работы при высоких напряжениях. Эта проблема устранена в следующей демпферной цепи.


Рис. %img:sn-dcr

Конденсатор C подбираем так, чтобы один импульс тока не слишком сильно увеличивал напряжение на нём, тогда напряжение на конденсаторе может считаться неизменным; в этом отношении схема будет эквивалентна схеме со стабилитроном. Резистор R постепенно разряжает конденсатор (рассеивает энергию, передаваемую конденсатору от индуктивности). Выбирая определённое соотношение между R и C, можно добиться любого желаемого напряжения на конденсаторе в установившемся режиме. По своим свойствам, цепь аналогична цепи со стабилитроном, с тем лишь отличием, что здесь мы более свободны в выборе напряжения «стабилизации». Следует только учитывать, что до перехода в установившийся режим, пока конденсатор C ещё продолжает заряжаться, длительность переходного процесса в индуктивности увеличена. В частности, сразу после включения генератора (когда конденсатор полностью разряжен), цепь ведёт себя подобно простому диодному демпферу, т.е. ощутимо затягивает переходный процесс в индуктивности.

И, конечно, демпфером может служить нагрузка. Например, в случае блокинг-генератора, используемого в качестве основы для импульсного источника питания, нагрузка может подключаться следующим образом.


Рис. %img:sn-dcr2

Здесь используется то, что энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, может быть возвращена в цепь не только через ту обмотку L1, за счёт прохождения тока через которую энергия была накоплена, но и через любую другую обмотку. Например, может быть возвращена через вторичную обмотку, L2. Вторичная обмотка подключена таким образом, что в процессе убывания магнитного поля в трансформаторе, в обмотке индуцируется напряжение, открывающее диод D2, энергия магнитного поля трансформатора расходуется на заряд сглаживающего конденсатора C2. Нагрузка R равномерно расходует периодически получаемую конденсатором от трансформатора энергию.

При этом нужно учитывать, что трансформатор неидеален и обладает некоторой индуктивностью рассеяния (т.е., даже если замкнуть выводы вторичной обмотки накоротко, первичная обмотка всё ещё будет являться некоторой индуктивной нагрузкой для транзистора; хотя в хорошем трансформаторе индуктивность рассеяния во много раз меньше индуктивности намагничивания обмотки, всё же она может существенно влиять на процессы в цепи, особенно в импульсных схемах). Поэтому следует убедиться, что имеющаяся индуктивность рассеяния (совместно с прочими паразитными индуктивностями) не представляет опасности в процессе работы генератора во всех возможных режимах. В определённых случаях, по-прежнему, потребуется какая-либо демпферная цепи в коллекторной цепи транзистора, несмотря на наличие нагрузки.

Защита от перенапряжения может потребоваться не только для коллекторной цепи транзистора, но и для базовой. Максимально допустимое обратное напряжение на базе транзистора (на переходе эмиттер-база) у большинства транзисторов крайне невелико (обычно составляет единицы вольт) и запирающее напряжение, получаемое от вторичной обмотки трансформатора, может превысить это значение. Тогда потребуются меры для ограничения импульса обратного напряжения на базе транзистора (рис. %img:v1-ext), например, можно ограничить напряжение с помощью диода (D2), который будет закрываться во время импульса обратного напряжения; чтобы диод обеспечивал эффективную защиту, он должен обладать высоким быстродействием и малой ёмкостью перехода. Резистор R4 в этой схеме уменьшает напряжение на базе, создаваемое обратным током коллектора; для нормальной работы генератора сопротивление R4 должно многократно превышать сопротивление R1.


Рис. %img:v1-ext

Источник

Оцените статью
Частотные преобразователи