Блокирующий осциллятор - Blocking oscillator

Основа твердотельного блокирующего генератора

Форма волны, генерируемая этой схемой

Этот Джоуль вор Схема, блокирующий генератор, может использоваться для питания светодиода от батареи 1,5 В в течение относительно длительного периода времени, при этом яркость является компромиссом.

А блокирующий генератор (иногда называемый импульсным генератором) представляет собой простую конфигурацию дискретных электронных компонентов, которые могут производить свободный сигнал, требуя только резистор, а трансформатор, и один усилительный элемент, такой как транзистор или же вакуумная труба. Название происходит от того факта, что усиливающий элемент отключен или «заблокирован» для большей части рабочий цикл, генерирующие периодические импульсы по принципу релаксационный осциллятор. Несинусоидальный выход не подходит для использования в качестве радиочастотного гетеродина, но он может служить в качестве тактового генератора для питания огней, Светодиоды, Элвайр, или маленькие неоновые индикаторы. Если вывод используется как звуковой сигнал, простых сигналов также достаточно для таких приложений, как будильник или азбука Морзе тренировочное устройство. Некоторые камеры используют блокирующий осциллятор для срабатывания вспышки перед съемкой, чтобы уменьшить эффект красных глаз.

Когда дело доходит до компонентов, задействованных в этой цепи, необходимы определенные типы каждого компонента, чтобы он работал в полную силу. Трансформатор - жизненно важный компонент. Например, импульсный трансформатор создает прямоугольные импульсы, которые характеризуются быстрым нарастанием и спадом с плоской вершиной. Существует бесконечное количество комбинаций напряжений, трансформаторов, конденсаторов, транзисторов и резисторов, которые можно использовать для изменения и моделирования схемы.

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 размещение 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.

Схема работы

Схема работает за счет положительной обратной связи через трансформатор и включает два времени - время T_{закрыто} когда переключатель замкнут, а время T_{открыто} когда переключатель открыт. При анализе используются следующие сокращения:

• t, время, переменная
• Т_{закрыто}: момент в конце замкнутого цикла, начале открытого цикла. Также мера времени продолжительность когда переключатель закрыт.
• Т_{открыто}: момент в конце открытого цикла, начале закрытого цикла. То же, что и T = 0. Также мера времени продолжительность когда переключатель открыт.
• V_б, напряжение источника, например V_{аккумулятор}
• V_п, Напряжение через первичная обмотка. Идеальный переключатель представит напряжение питания V_б через первичную обмотку, поэтому в идеальном случае V_п = V_б.
• V_s, Напряжение через вторичная обмотка
• V_z, фиксированное напряжение нагрузки, вызванное, например, обратным напряжением Стабилитрон или прямое напряжение светодиод (ВЕЛ).
• я_м, ток намагничивания в первичной обмотке
• я_{пик, м}, максимальный или «пиковый» ток намагничивания в первичной обмотке. Возникает непосредственно перед T_{открыто}.
• N_п, количество витков первичной обмотки
• N_s, количество вторичных витков
• N, отношение витков, определяемое как N_s/ N_п,. Для идеального трансформатора, работающего в идеальных условиях, I_s = Я_п/ N, В_s = N × V_п.
• L_п, первичная (само) индуктивность, величина определяется количеством витков первичной обмотки N_п в квадрате, и «коэффициент индуктивности» A_L. Самоиндуктивность часто записывается как L_п = А_L× N_п²×10⁻⁹ Генри.^[1]
• R, комбинированный переключатель и первичное сопротивление
• U_п, энергия, запасенная в потоке магнитного поля в обмотках, представленная током намагничивания I_м.

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 вторичной и короткозамкнутой первичной обмоток.
  • L_{p, утечка} = собственная индуктивность, которая представляет собой магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой и связанное с ней.
  • L_{s, утечка} = собственная индуктивность, представляющая магнитное поле, создаваемое вторичными обмотками и связанное только с ними
• C_{обмотки} = 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.

Операция во время T_{закрыто} (время, когда переключатель замкнут)

Когда переключатель (транзистор, лампа) закрывается, он помещает источник напряжения V_б через первичную обмотку трансформатора. Ток намагничивания I_м трансформатора^[2] я_м = V_{начальный}× т / л_п; здесь t (время) - это переменная, которая начинается с 0. Этот ток намагничивания I_м будет "ездить" на любом отраженном вторичном токе I_s который течет во вторичную нагрузку (например, в управляющую клемму переключателя; отраженный вторичный ток в первичной = I_s/ N). В изменение первичный ток вызывает изменение магнитное поле («поток») через обмотки трансформатора; это изменение поле индуцирует (относительно) устойчивый вторичное напряжение В_s = N × V_б. В некоторых конструкциях (как показано на схемах) вторичное напряжение V_s добавляет к источнику напряжение V_б; в этом случае, потому что напряжение на первичной обмотке (в то время как переключатель замкнут) составляет приблизительно V_б, V_s = (N + 1) × V_б. В качестве альтернативы переключатель может получать часть своего управляющего напряжения или тока непосредственно от V_б а остальное - 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 сопротивление первичной обмотки мало или отсутствует, а сопротивление переключателя мало или отсутствует, увеличение тока намагничивания I_м представляет собой «линейную рампу», определяемую формулой в первом абзаце. В случае значительного сопротивления первичной обмотки или сопротивления переключателя или обоих (общее сопротивление R, например, сопротивление первичной обмотки плюс резистор в эмиттере, сопротивление канала полевого транзистора), L_пПостоянная времени / R приводит к увеличению тока намагничивания. изгиб с постоянно уменьшающимся наклоном. В любом случае ток намагничивания I_м будет преобладать над полным первичным (и коммутируемым) током I_п. 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) (убывающий) наклон тока уменьшается до такой степени, что индуцированное напряжение во вторичной обмотке больше не является достаточным для удержания переключателя в замкнутом состоянии. В третьем случае материал магнитного «сердечника» насыщается, что означает, что он не может поддерживать дальнейшую увеличивается в его магнитном поле; в этом состоянии индукция от первичной к вторичной не выполняется. Во всех случаях скорость роста 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_б деленное на полное сопротивление R в первичной цепи. В этом состоянии ограниченного тока поток трансформатора будет постоянным. Только изменение магнитный поток вызывает индукцию напряжения во вторичной обмотке, поэтому устойчивый поток представляет собой сбой индукции. Вторичное напряжение падает до нуля. Выключатель открывается.

Операция во время T_{открыто} (время, когда переключатель разомкнут)

Теперь, когда переключатель разомкнулся в точке T_{открыто}, ток намагничивания в первичной обмотке I_{пик, м} = V_п× т_{закрыто}/ Л_п, а энергия U_п хранится в этом "намагничивающем" поле, созданном I_{пик, м} (энергия U_м = 1/2 × L_п× я_{пик, м}²). Но сейчас нет первичного напряжения (В_б), 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 осуществляться через витки первичной обмотки, через которые проходит весь поток (представленный индуктивностью первичной обмотки L_п); 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 повороты, через которые взаимный (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, поглощающая энергию, возникают очень высокочастотные колебания, и эти «паразитные колебания» представляют собой возможный источник электромагнитная интерференция.

Потенциал вторичного напряжения теперь меняется на отрицательный следующим образом. Коллапсирующий поток вызывает протекание первичного тока из первичной обмотки по направлению к теперь разомкнутому переключателю, то есть течь в том же направлении, в котором она текла, когда переключатель был замкнут. Чтобы ток течет из стороны выключателя первичной обмотки, первичное напряжение на конце выключателя должно быть положительный относительно другого его конца, находящегося на напряжении питания V_б. Но это первичное напряжение противоположный в полярности к тому, что было в то время, когда переключатель был замкнут: во время T_{закрыто}конец переключателя первичной обмотки был приблизительно равен нулю и, следовательно, отрицателен относительно конца источника питания; сейчас во время T_{открыто} он стал положительным относительно V_б.

Из-за "чувства обмотки" трансформатора (направления его обмоток) напряжение, которое появляется на вторичной обмотке, теперь должно быть равным. отрицательный. Отрицательное управляющее напряжение будет поддерживать переключатель (например, биполярный транзистор NPN или N-канальный полевой транзистор) открыто, и эта ситуация будет сохраняться до тех пор, пока энергия схлопывающегося потока не будет поглощена (чем-то). Когда поглотитель находится в первичном контуре, например стабилитрон (или светодиод) с напряжением V_z соединенный "назад" через первичные обмотки, форма волны тока представляет собой треугольник со временем t_{открыто} определяется по формуле I_п = Я_{пик, м} - V_z× т_{открыто}/ Л_п, здесь я_{пик, м} являющийся первичным током 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 завершается, 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 / (T_{закрыто} + Т_{открыто})

В простейшем случае продолжительность полного цикла (T_{закрыто} + Т_{открыто}), и, следовательно, его частота повторения (обратная длительности цикла), почти полностью зависит от намагничивающей индуктивности трансформатора L_п, напряжение питания и напряжение нагрузки V_z. Когда для поглощения энергии используются конденсатор и резистор, частота повторения зависит от Постоянная времени R-C, или постоянная времени L-C, когда R мало или отсутствует (L может быть L_п, L_s или L_{п, с}).

Патенты

• нас Патент 2211852,^[3] подано в 1937 г. "Блокирующий генераторный аппарат". (на основе вакуумная труба ).
• Патент США 2745012,^[4] подано в 1951 г. "Генераторы блокировки транзисторов".
• Патент США 2780767,^[5] подано в 1955 г. "Схема преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение".
• Патент США 2881380,^[6] подано в 1956 г. "Преобразователь напряжения".

Смотрите также

• Обратный преобразователь
• Прямой конвертер
• Джоуль вор

Сноски

Рекомендации

• 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 отмечают, что «на самом деле единственное существенное различие между настроенный генератор а блокирующий генератор - в герметичности связи между обмотками трансформатора »(стр. 616)
• Джозеф Пети и Малкольм Маквортер, 1970 год, 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, Книжная компания Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, ISBN  0-07-042380-6. Для настроенной версии блокирующего генератора, т. Е. Схемы, которая при правильном проектировании будет создавать довольно много синусоидальных сигналов, см. 17-17 «Резонансные генераторы», стр. 530–532.
• Ф. Лэнгфорд-Смит, 1953 г., Справочник конструктора радиотронов, Четвертое издание, Wireless Press (Wireless Valve Company Pty., Сидней, Австралия) вместе с Radio Corporation of America, Electron Tube Division, Харрисон, штат Нью-Джерси (1957).

внешняя ссылка

• Блокирующий осциллятор, веб-страница Джеймс Б. Калверт. Элементарное (без математики) и информативное описание различных схем блокирующего генератора с использованием БЮТ и Триоды.
• Схемные модели для прогнозирования коммутационных характеристик наносекундных блокирующих генераторов, Дж. Макдональд, IEEE Транзакции по цепям и системам, 1964, Volume 11, Issue 4, 442-448. Статья, в которой приводятся некоторые схемные модели для прогнозирования коммутационных характеристик BJT блокирующие генераторы.