Блокирующий осциллятор

Основа твердотельного блокирующего генератора

Форма волны, генерируемая этой схемой

Эта схема Джоуля , блокирующий генератор, может использоваться для питания светодиода от батареи 1,5 В в течение относительно длительного периода времени, при этом яркость является компромиссом.

Блокирует генератор (иногда называемый импульсным генератором) представляет собой простую конфигурацию дискретных электронных компонентов , которые могут продуцировать свободный генерацию сигнала , требующих только резистор , а трансформатор и один усилительный элемент , такие как транзистор или вакуумной трубка . Название происходит от того факта, что усилительный элемент отключен или «заблокирован» на протяжении большей части рабочего цикла , производя периодические импульсы по принципу релаксационного генератора . Несинусоидальный выход не подходит для использования в качестве радиочастотного гетеродина, но он может служить в качестве тактового генератора для питания ламп, светодиодов и т. Д.Elwire , или маленькие неоновые индикаторы. Если выход используется в качестве аудиосигнала , простых тонов также достаточно для таких приложений, как сигнализация или устройство для отработки азбуки Морзе . В некоторых камерах используется блокирующий генератор для срабатывания вспышки перед съемкой, чтобы уменьшить эффект красных глаз .

Благодаря простоте схемы она составляет основу многих обучающих проектов в коммерческих электронных наборах. Вторичную обмотку трансформатора можно подавать на динамик, лампу или обмотки реле. Вместо резистора потенциометр, расположенный параллельно конденсатору синхронизации, позволяет свободно регулировать частоту, но при низком сопротивлении транзистор может быть перегружен и, возможно, поврежден. Выходной сигнал будет скачкообразным по амплитуде и будет сильно искажен.

Работа схемы [ править ]

Схема работает за счет положительной обратной связи через трансформатор и включает в себя два времени: время T _{закрыто,} когда переключатель закрыт, и время T _{размыкания,} когда переключатель открыт. При анализе используются следующие сокращения:

• t, время, переменная
• T _closed : момент в конце замкнутого цикла, начале открытого цикла. Также мера времени, в течение которого переключатель замкнут.
• T _open : момент в конце открытого цикла, начале закрытого цикла. То же, что и T = 0. Также мера времени, в течение которого переключатель разомкнут.
• V _b , напряжение источника, например V _{аккумулятор}
• В _р , напряжение через первичную обмотку. В идеальном переключателе на первичной обмотке будет подаваться напряжение V _b , поэтому в идеальном случае V _p = V _b .
• V _сек , напряжение через вторичную обмотку
• V _z , фиксированное напряжение нагрузки, вызванное, например, обратным напряжением стабилитрона или прямым напряжением светоизлучающего диода (LED).
• I _m , ток намагничивания в первичной обмотке
• I _{пик, м} , максимальный или «пиковый» ток намагничивания в первичной обмотке. Возникает непосредственно перед T _open .
• N _p , количество витков первичной обмотки
• N _s , количество вторичных витков
• N, отношение витков определяется как N _сек / N _р ,. Для идеального трансформатора, работающего в идеальных условиях, I _s = I _p / N, V _s = N × V _p .
• L _р , первичная (само-) индуктивность, значение определяется числом первичных витков N _р квадратов , и «фактор индуктивности» A _L . Самоиндуктивность часто записывается как L _p = A _L × N _p ² × 10 ⁻⁹ генри. ^[1]
• R, комбинированный переключатель и первичное сопротивление
• U _p - энергия, запасенная в потоке магнитного поля в обмотках, представленная током намагничивания I _m .

Для более детального анализа потребуется следующее:

• M = взаимная индуктивность, ее значение определяется степенью, в которой магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, соединяется (разделяется) с вторичной, и наоборот. связь. Сцепление никогда не бывает идеальным; всегда есть так называемый первичный и вторичный «поток утечки». Обычно рассчитывается на основе измерений короткого замыкания во вторичной и первичной обмотках.
  • L _{p, утечка} = самоиндукция, которая представляет магнитное поле, создаваемое и связанное только с первичными обмотками.
  • L _{s, утечка} = самоиндукция, которая представляет собой магнитное поле, создаваемое вторичными обмотками и связанное только с ними.
• _{Обмотки} C = межобмоточная емкость. Значения существуют только для первичных витков, только для вторичных витков и для обмоток между первичными и вторичными обмотками. Обычно объединяются в одно значение.

Работа во время T _{закрыто} (время, когда переключатель закрыт) [ редактировать ]

Когда переключатель (транзистор, лампа) закрывается, он передает напряжение источника V _b на первичную обмотку трансформатора. Ток намагничивания I _m трансформатора ^[2] равен I _m = V _{первичной обмотки} × t / L _p ; здесь t (время) - это переменная, которая начинается с 0. Этот ток намагничивания I _m будет "ездить" на любом отраженном вторичном токе I _s, который течет во вторичную нагрузку (например, в управляющий вывод переключателя; отраженный вторичный ток в первичной = I _с / н). Изменение первичного ток вызывает изменяющееся магнитное поле ( «поток») через обмотку трансформатора; этоизменяющееся поле индуцирует (относительно) постоянное вторичное напряжение V _s = N × V _b . В некоторых конструкциях (как показано на схемах) вторичное напряжение V _s складывается с напряжением источника V _b ; в этом случае, поскольку напряжение на первичной обмотке (в то время как переключатель замкнут) приблизительно равно V _b , V _s = (N + 1) × V _b . В качестве альтернативы 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 он удерживает переключатель в замкнутом состоянии и (через переключатель) поддерживает напряжение источника на первичной обмотке.

В случае, когда первичное сопротивление невелико или отсутствует, а сопротивление переключателя мало или отсутствует, увеличение тока намагничивания I _m представляет собой «линейную кривую», определяемую формулой в первом абзаце. В случае, когда имеется значительное сопротивление первичной обмотки или коммутационное сопротивление, или 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 возрастающая кривая с постоянно уменьшающимся наклоном. В любом случае ток намагничивания I _m будет преобладать над полным первичным (и коммутируемым) током I _p.. Без ограничителя он увеличивался бы вечно. Однако в первом случае (низкое сопротивление) переключатель в конечном итоге не сможет «поддерживать» больший ток, что означает, что его эффективное сопротивление увеличивается настолько, что падение напряжения на переключателе сравняется с напряжением питания; в этом состоянии переключатель называется «насыщенным» (например, это определяется коэффициентом усиления транзистора h _fe или «бета»). Во втором случае (например, преобладающее 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 переключателя замкнутым. В третьем случае материал магнитного «сердечника» насыщается, что означает, что он не может поддерживать дальнейшее увеличениев его магнитном поле; в этом состоянии индукция от первичной к вторичной не выполняется. Во всех случаях скорость нарастания первичного тока намагничивания (и, следовательно, потока), или скорость нарастания потока непосредственно в случае насыщенного материала сердечника, падает до нуля (или близко к нулю). В первых двух случаях, хотя первичный ток продолжает течь, он приближается к установившемуся значению, равному напряжению питания V _b, деленному на общее сопротивление R в первичной цепи. В этом состоянии ограниченного тока поток трансформатора будет постоянным. Только изменение магнитного потока вызывает индукцию напряжения во вторичной обмотке, поэтому устойчивый поток представляет собой сбой индукции. Вторичное напряжение падает до нуля. Выключатель открывается.

Работа во время T _open (время, когда переключатель разомкнут) [ редактировать ]

Теперь, когда переключатель разомкнут при Т _{разомкнуто} , ток намагничивания в первичной обмотке равен I _{пику, m} = V _p × T _{замкнут} / L _p , и энергия U _p сохраняется в этом «намагничивающем» поле, создаваемом _пиком I _{, м} (энергия U _м = 1/2 × L _p × I _{пик, м} ² ). Но сейчас нет первичного напряжения (V _b), чтобы поддерживать дальнейшее увеличение магнитного поля или даже установившееся поле, при размыкании переключателя и, тем самым, снятии первичного напряжения. Магнитное поле (поток) начинает схлопываться, и коллапс заставляет энергию возвращаться в цепь, наводя ток и напряжение на первичные витки, вторичные витки или и то, и другое. Индукция в первичную обмотку будет через витки первичной обмотки, через которые проходит весь магнитный поток (представленный индуктивностью первичной обмотки L _p ); коллапсирующий поток создает первичное напряжение, которое заставляет ток продолжать течь либо из первичной обмотки к (теперь разомкнутому) переключателю, либо в первичную нагрузку, такую ​​как светодиод или стабилитрон и т. д. Индукция во вторичную обмотку будет происходить через вторичные витки, через которые взаимное(связанный) поток проходит; эта индукция вызывает появление напряжения на вторичной обмотке, и если это напряжение не заблокировано (например, диодом или очень высоким импедансом 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 очень быстро растет. 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 выходу из строя переключателя. Когда присутствует только межобмоточная емкость и крошечная вторичная нагрузка для поглощения энергии, возникают очень высокочастотные колебания, и эти «паразитные колебания» представляют собой возможный источник электромагнитных помех..

Потенциал вторичного напряжения теперь меняется на отрицательный следующим образом. Коллапсирующий поток заставляет первичный ток течь из первичной обмотки к теперь разомкнутому переключателю, то есть течь в том же направлении, в котором он протекал, когда переключатель был замкнут. Для протекания тока из переключателя-конца первичных, первичное напряжение на конце коммутатора должно быть положительными по отношению к другому своему концу , который находится на напряжение питания V _б . Но это представляет собой первичное напряжение, противоположное по полярности тому, что было в то время, когда переключатель был замкнут: во время T _{замкнут} , конец переключателя первичной обмотки был приблизительно нулевым и, следовательно, отрицательным относительно конца источника питания; сейчас во время T_{в открытом состоянии} он стал положительным по отношению к V _b .

Из-за "чувства обмотки" трансформатора (направления его обмоток) напряжение, которое появляется на вторичной обмотке, теперь должно быть отрицательным . Отрицательное управляющее напряжение будет поддерживать переключатель (например, биполярный транзистор NPN или N-канальный полевой транзистор) открытым , и эта ситуация будет сохраняться до тех пор, пока энергия схлопывающегося потока не будет поглощена (чем-то). Когда поглотитель находится в первичной цепи, например стабилитрон (или светодиод) с напряжением V _z, подключенный «назад» через первичные обмотки, форма волны тока представляет собой треугольник с временем _{открытия} t, определяемым формулой I _p = I _{пиковое. , m} - V _z × T _open / L _p , здесь I_{пик, m} - первичный ток в момент размыкания переключателя. Когда поглотитель представляет собой конденсатор, формы волны напряжения и тока представляют собой синусоиду 1/2 периода, а если поглотитель представляет собой конденсатор плюс резистор, формы волны представляют собой синусоиду с затуханием 1/2 цикла.

Когда, наконец, разрядка энергии завершена, цепь управления становится «разблокированной». Управляющее напряжение (или ток) к переключателю теперь свободно «течет» на управляющий вход и замыкает переключатель. Это легче увидеть, когда конденсатор «коммутирует» управляющее напряжение или ток; вызывные колебания переносят управляющее напряжение или ток от отрицательного (переключатель разомкнут) через 0 к положительному (переключатель замкнут).

Частота повторения 1 / (Т _{закрыто} + Т _{открыто} ) [ редактировать ]

В простейшем случае продолжительность полного цикла (T _{закрыто} + T _{открыто} ) и, следовательно, его частота повторения (обратная длительности цикла) почти полностью зависит от намагничивающей индуктивности L _p трансформатора , напряжения питания и напряжение нагрузки V _z . Когда конденсатор и резистор используются для поглощения энергии, 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 [ править ]

• Патент США 2211852, ^[3], поданный в 1937 г., « Устройство с блокирующим генератором ». (на основе вакуумной трубки ).
• Патент США 2745012, ^[4], поданный в 1951 г., « Генераторы блокировки транзисторов ».
• Патент США 2780767, ^[5], поданный в 1955 г., « Устройство схемы для преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение ».
• Патент США 2881380, ^[6], поданный в 1956 г., « Преобразователь напряжения ».

См. Также [ править ]

• Обратный преобразователь
• Прямой конвертер
• Джоуль вор

Сноски [ править ]

Ссылки [ править ]

• Джейкоб Миллман и Герберт Тауб, 1965, Импульсные, цифровые и импульсные формы сигналов: устройства и схемы для их генерации и обработки , McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, LCCCN 64-66293. См. Главу 16 «Цепи блокирующего генератора» на страницах 597-621 и проблемных страницах 924-929. Миллман и Тауб замечают, что «на самом деле единственное существенное различие между настроенным генератором и блокирующим генератором заключается в плотности связи между обмотками трансформатора». (стр.616)
• Джозеф Пети и Малкольм Маквортер, 1970, Электронное переключение, синхронизация и импульсные схемы: 2-е издание , McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, LCCCN: 78-114292. См. Главу 7 «Цепи, содержащие индукторы или трансформаторы» на страницах 180-218, в частности главы 7-13 «Моностабильный блокирующий генератор» стр. 203ff и 7-14 «Нестабильный блокирующий генератор» стр. 206ff.
• Джейкоб Миллман и Христос Халкиас, 1967, Электронные устройства и схемы , McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, ISBN  0-07-042380-6 . Относительно настроенной версии блокирующего генератора, т. Е. Схемы, которая при правильной конструкции будет формировать довольно синусоидальные волны, см. 17-17 «Резонансные генераторы» стр. 530–532.
• Ф. Лэнгфорд-Смит, 1953, Руководство разработчика радиотронов , четвертое издание, Wireless Press (Wireless Valve Company Pty., Сидней, Австралия) вместе с Radio Corporation of America, подразделение электронных трубок, Харрисон, штат Нью-Джерси (1957).

Внешние ссылки [ править ]

• Блокирующий осциллятор , веб-страница Джеймса Б. Калверта . Нет элементарной (никакой математики) и информативного описания различных схем блокировки генератора, использующего БПТА и триодов .
• Схемные модели для прогнозирования коммутационных характеристик наносекундных блокирующих генераторов , Дж. Макдональд, IEEE Transactions on Circuits and Systems , 1964, Volume 11, Issue 4, 442-448. Статья, выводящая некоторые схемные модели для прогнозирования коммутационной характеристикиблокировки BJT. генераторы.