Блокирующий генератор

Основа твердотельного блокинг-генератора

Форма сигнала, генерируемая этой схемой

Эту схему вора Джоуля , блокинг-генератор, можно использовать для питания светодиода от батареи 1,5 В в течение относительно длительного периода времени, при этом яркость является компромиссом.

( Блокинг-генератор иногда называемый импульсным генератором ) представляет собой простую конфигурацию дискретных электронных компонентов, которая может генерировать автономный сигнал , требующую только резистора , трансформатора и одного усиливающего элемента, такого как транзистор или вакуумная лампа . Название происходит от того факта, что усилительный элемент отключен или «блокирован» на протяжении большей части рабочего цикла , производя периодические импульсы по принципу релаксационного генератора . Несинусоидальный выходной сигнал не подходит для использования в качестве радиочастотного гетеродина, но может служить в качестве генератора синхронизации для питания ламп, светодиодов , электролюминесцентных проводов или небольших неоновых индикаторов. Если выходной сигнал используется в качестве аудиосигнала , простых тонов также достаточно для таких приложений, как сигнализация или устройство для отработки азбуки Морзе . Некоторые камеры используют блокинг-генератор для стробирования вспышки перед съемкой, чтобы уменьшить эффект красных глаз .

Благодаря простоте схемы она составляет основу многих учебных проектов в коммерческих электронных комплектах. Вторичная обмотка трансформатора может подаваться на динамик, лампу или обмотки реле. Вместо резистора потенциометр , включенный параллельно с синхронизирующим конденсатором, позволяет свободно регулировать частоту, но при низком сопротивлении транзистор может быть перегружен и, возможно, поврежден. Выходной сигнал подскочит по амплитуде и будет сильно искажен.

Работа схемы

Схема работает за счет положительной обратной связи через трансформатор и включает в себя два времени: время Т _{замыкания} , когда переключатель замкнут, и время Т _{размыкания} , когда переключатель разомкнут. В анализе используются следующие сокращения:

• t, время, переменная
• T _{закрыто} : момент в конце закрытого цикла, начале открытого цикла. Также является мерой времени, в течение которого переключатель замкнут.
• T _open : мгновение в конце открытого цикла, начале закрытого цикла. То же, что Т=0. Также мера времени, в течение которого переключатель разомкнут.
• V _b , напряжение источника, например, _{батарея В.}
• V _p , напряжение на первичной обмотке. Идеальный переключатель будет подавать напряжение питания V _b на первичную обмотку, поэтому в идеальном случае V _p = V _b .
• V _s , напряжение на вторичной обмотке
• V _z , фиксированное напряжение нагрузки, вызванное, например, обратным напряжением стабилитрона или прямым напряжением светодиода ( LED).
• I _m , ток намагничивания в первичной обмотке
• Ipeak _,m , максимальный или «пиковый» ток намагничивания в первичной обмотке. Происходит непосредственно перед T _open .
• N _p , количество витков первичной обмотки
• N _s , количество вторичных витков
• N — коэффициент трансформации, определяемый как N _s /N _p , . Для идеального трансформатора, работающего в идеальных условиях, I _s = I _p /N, V _s = N×V _p .
• L _p , первичная (само) индуктивность, значение, определяемое количеством витков первичной обмотки N _p в квадрате и «коэффициентом индуктивности» A _L . Самоиндукцию часто записывают как L _p = _AL ×N _p ² ×10 ⁻⁹ генри.
• R, комбинированный переключатель и первичное сопротивление
• Up _— энергия, запасенная в потоке магнитного поля в обмотках, представленная током намагничивания I _m .

Более детальный анализ потребует следующего:

• M = взаимная индуктивность, ее значение определяется степенью, в которой магнитное поле, создаваемое первичными парами, соединяется со вторичной обмоткой (разделяется ею), и наоборот. муфта. Соединение никогда не бывает идеальным; всегда существует так называемый первичный и вторичный «поток утечки». Обычно рассчитывается на основе измерений короткого замыкания вторичной и короткозамкнутой первичной обмотки.
  • L _p,leak = самоиндукция, которая представляет собой магнитное поле, создаваемое и связанное только с первичными обмотками.
  • L _s,leak = самоиндукция, которая представляет собой магнитное поле, создаваемое и связанное только со вторичными обмотками.
• C _{обмотки} = межобмоточная емкость. Значения существуют только для первичных витков, только для вторичных витков и между первичной и вторичной обмотками. Обычно объединяются в одно значение.

Работа во время T _{замкнутого} (время, когда выключатель замкнут)

Когда переключатель (транзистор, вакуумная лампа) замыкается, напряжение источника V _b подается на первичную обмотку трансформатора. Ток намагничивания I _m трансформатора I _m = V _{первичный} ×t/L _p ; здесь t (время) — переменная, начинающаяся с 0. Этот ток намагничивания I _m будет «скользить по» любому отраженному вторичному току I _s , который течет во вторичную нагрузку (например, в управляющую клемму переключателя; отраженный вторичный ток в первичной обмотке). = I _s /N). Изменение магнитного поля («поток» ) первичного тока вызывает изменение через обмотки трансформатора; это меняющееся поле индуцирует (относительно) устойчивое вторичное напряжение V _s = N×V _b . В некоторых конструкциях (как показано на схемах) вторичное напряжение Vs _{добавляется} к напряжению источника _Vb ; в этом случае, поскольку напряжение на первичной обмотке (во время замыкания ключа) составляет приблизительно V _b , V _s = (N+1)×V _b . В альтернативном варианте переключатель может получать часть своего управляющего напряжения или тока непосредственно от V _b , а остальную часть — от индуцированного V _s . Таким образом, напряжение или ток управления переключателем находится «в фазе», что означает, что оно удерживает переключатель закрытым и (через переключатель) поддерживает напряжение источника на первичной обмотке.

В случае, когда первичное сопротивление незначительно или отсутствует, а сопротивление переключателя мало или отсутствует, увеличение тока намагничивания I _m представляет собой «линейный пандус», определяемый формулой в первом абзаце. В случае, когда имеется значительное первичное сопротивление или сопротивление переключателя, или и то, и другое (общее сопротивление R, например, сопротивление первичной обмотки плюс резистор в эмиттере, сопротивление канала полевого транзистора), постоянная времени L _p /R приводит к тому, что ток намагничивания становится восходящая кривая с постоянно уменьшающимся наклоном. В любом случае ток намагничивания I _m будет доминировать над общим первичным током (и током переключения) I _p . Без ограничителя оно будет увеличиваться вечно. Однако в первом случае (низкое сопротивление) переключатель в конечном итоге не сможет «поддерживать» больший ток, а это означает, что его эффективное сопротивление увеличивается настолько, что падение напряжения на переключателе становится равным напряжению питания; в этом состоянии переключатель называется «насыщенным» (например, это определяется коэффициентом усиления транзистора h _fe или «бета»). Во втором случае (например, преобладает сопротивление первичной обмотки и/или эмиттера) (убывающая) крутизна тока уменьшается до такой степени, что индуцированное напряжение во вторичной обмотке больше не является достаточным для удержания ключа в замкнутом состоянии. В третьем случае материал магнитного «сердечника» насыщается, что означает, что он не может поддерживать дальнейшую работу. увеличивается его магнитное поле; в этом состоянии индукция от первичного к вторичному терпит неудачу. Во всех случаях скорость нарастания первичного тока намагничивания (а значит и потока), или непосредственно скорость нарастания потока в случае насыщенного материала сердечника, падает до нуля (или близкого к нулю). В первых двух случаях, хотя первичный ток продолжает протекать, он приближается к установившемуся значению, равному напряжению питания V _б, деленному на общее сопротивление R в первичной цепи. В этом режиме ограничения тока поток трансформатора будет постоянным. Только изменение потока вызывает индукцию напряжения во вторичной обмотке, поэтому постоянный поток представляет собой отказ индукции. Вторичное напряжение падает до нуля. Переключатель открывается.

Работа во время T _{разомкнутого} (время, когда выключатель разомкнут)

Теперь, когда переключатель разомкнут при T _open , ток намагничивания в первичной обмотке равен Ipeak _,m = Vp _× T _close /Lp _, и энергия Up _{сохраняется} в этом «намагничивающем» поле, создаваемом Ipeak _{, м} (энергия U _m = 1/2×L _p ×I _пик,м ² ). Но теперь нет первичного напряжения (V _b ), которое могло бы поддерживать дальнейшее увеличение магнитного поля, или даже устойчивого поля, а переключатель размыкается и тем самым снимается первичное напряжение. Магнитное поле (поток) начинает схлопываться, и коллапс заставляет энергию возвращаться в цепь, индуцируя ток и напряжение в первичных витках, вторичных витках или в обоих. Индукция в первичной обмотке будет осуществляться через витки первичной обмотки, через которые проходит весь поток (представленный первичной индуктивностью L _p ); сжимающийся поток создает первичное напряжение, которое заставляет ток продолжать течь либо из первичной обмотки в сторону (теперь разомкнутого) переключателя, либо в первичную нагрузку, такую ​​как светодиод или стабилитрон и т. д. Индукция во вторичной обмотке будет осуществляться через вторичные витки, через которые проходит взаимный (связанный) поток; эта индукция вызывает появление напряжения во вторичной обмотке, и если это напряжение не блокируется (например, диодом или очень высоким сопротивлением затвора полевого транзистора), вторичный ток будет течь во вторичную цепь (но в противоположном направлении). В любом случае, если нет компонентов, поглощающих ток, напряжение на переключателе возрастает очень быстро. Без первичной нагрузки или в случае очень ограниченного вторичного тока напряжение будет ограничиваться только распределенными емкостями обмоток (так называемая межобмоточная емкость), что может привести к разрушению ключа. Когда имеется только межобмоточная емкость и небольшая вторичная нагрузка, поглощающая энергию, возникают очень высокочастотные колебания, и эти «паразитные колебания» представляют собой возможный источник электромагнитные помехи .

Потенциал вторичного напряжения теперь меняется на отрицательный следующим образом. Коллапсирующий поток заставляет ток первичной обмотки течь из первичной обмотки в сторону теперь открытого ключа, т.е. течь в том же направлении, в котором он протекал, когда переключатель был замкнут. Чтобы ток вытекал из конца переключателя первичной обмотки, напряжение первичной обмотки на конце переключателя должно быть положительным относительно другого конца, находящегося под напряжением питания V _b . Но это представляет собой первичное напряжение, противоположное по полярности тому, которое было в то время, когда переключатель был замкнут: во время T _close конец первичной обмотки был примерно нулевым и, следовательно, отрицательным относительно конца питания; теперь во время T _open он стал положительным относительно V _b .

Из-за «чувства обмотки» трансформатора (направления его обмоток) напряжение, появляющееся на вторичной обмотке, теперь должно быть отрицательным . Отрицательное управляющее напряжение будет поддерживать переключатель (например, биполярный NPN-транзистор или N-канальный полевой транзистор) в открытом состоянии , и эта ситуация будет сохраняться до тех пор, пока энергия коллапсирующего потока не будет поглощена (чем-то). Когда поглотитель находится в первичной цепи, например, стабилитрон (или светодиод) с напряжением V _z , подключенным «обратно» к первичным обмоткам, форма волны тока представляет собой треугольник со временем _{открытия} t , определяемым по формуле I _p = I _{пик. ,m} - V _z ×T _open /L _p , здесь _Ipeak,m — первичный ток в момент размыкания ключа. Когда поглотителем является конденсатор, формы сигналов напряжения и тока представляют собой синусоидальную волну с периодом 1/2, а если поглотителем является конденсатор плюс резистор, формы сигналов представляют собой затухающую синусоида с периодом 1/2.

Когда, наконец, разряд энергии завершен, схема управления «разблокируется». Управляющее напряжение (или ток) переключателя теперь может свободно «протекать» на управляющий вход и замыкать переключатель. Это легче увидеть, когда конденсатор «коммутирует» управляющее напряжение или ток; звонкое колебание переносит управляющее напряжение или ток от отрицательного (переключатель разомкнут) через 0 к положительному (переключатель замкнут).

Частота повторения 1/(T _{закрыто} + T _{открыто} )

В простейшем случае длительность полного цикла (T _close + T _open ), а значит, и частота его повторения (обратная длительности цикла), почти полностью зависит от индуктивности намагничивания трансформатора L _p , напряжения питания и напряжение нагрузки V _z . Когда для поглощения энергии используются конденсатор и резистор, частота повторения зависит от постоянной времени RC или постоянной времени LC, когда R мало или отсутствует (L может быть L _p , L _s или L _{p, с} ).

Патенты

• США Патент 2211852, подано в 1937 году « Блокировочный генератор ». (на основе вакуумной трубки ).
• Патент США 2745012, подано в 1951 году « Транзисторные блокирующие генераторы ».
• Патент США 2780767, поданный в 1955 году « Схемотехника для преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение ».
• Патент США 2881380, подано в 1956 году « Преобразователь напряжения ».

См. также

• Обратноходовой преобразователь
• Прямой преобразователь
• Джоуль вор

Ссылки

• Миллман, Джейкоб; Тауб, Герберт (1965). «16. Схемы блокинг-генераторов». Импульсные, цифровые и импульсные сигналы: устройства и схемы для их генерации и обработки . МакГроу-Хилл. стр. 597–621, см. стр. 597–621. 616. задачи 924–9. Бибкод : 1965pdsw.book.....M . LCCN   64-66293 . OCLC   896642528 . Собственно говоря, единственное существенное отличие настроенного генератора от блокинг-генератора заключается в плотности связи между обмотками трансформатора.
• Пети, Джозеф; Маквортер, Малькольм (1970). «7. Цепи, содержащие индукторы или трансформаторы». Электронные коммутационные, временные и импульсные схемы (2-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 180–218. LCCN   78-114292 . В частности, §7-13 «Моностабильный блокинг-генератор», стр. 203 и далее и §7-14 «Нестабильный блокинг-генератор», стр. 206 и далее.
• Миллман, Джейкоб; Халкиас, Христос (1967). Электронные устройства и схемы . МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-042380-6 . Информацию о настроенной версии блокинг-генератора, то есть схемы, которая при правильном проектировании будет генерировать красивые синусоидальные волны, см. в разделе 17–17 «Резонансные генераторы», стр. 530–2.
• Лэнгфорд-Смит, Ф. (1968) [1953]. Справочник конструктора радиотрона (4-е изд.). Wireless Press (Wireless Valve Company Pty., Сидней, Австралия) совместно с Radio Corporation of America. OCLC   705976463 .

Внешние ссылки

• Калверт, Джеймс Б. (2002). «Блокинг-генератор» . Индекс электроники . Денверский университет. Элементарное (без математики) и информативное описание различных схем блокирующих генераторов, использующих биполярные транзисторы и триоды .
• Макдональд, Дж. (1964). «Модели схем для прогнозирования характеристик переключения наносекундных блокинг-генераторов». Транзакции IEEE по теории цепей . 11 (4): 442–8. дои : 10.1109/TCT.1964.1082353 . Статья, в которой представлены некоторые модели схем для прогнозирования характеристик переключения блокирующих генераторов BJT .