Блокинг-генератор

Бло́кинг-генера́тор — генератор сигналов с трансформаторной положительной обратной связью, формирующий кратковременные (обычно от долей микросекунд до миллисекунд) электрические импульсы, повторяющиеся через большие интервалы относительно длительности импульса, то есть имеющих большую скважность.

Применяются в радиотехнике и в устройствах импульсной техники. В качестве активного элемента применяется транзистор или электронная лампа.

Блокинг-генератор представляет собой релаксационную схему, содержащую усилительный элемент (например, транзистор), работающий в ключевом режиме, и трансформатор, через который осуществляется положительная обратная связь.

Достоинствами блокинг-генераторов являются сравнительная простота, возможность подключения нагрузки через трансформатор с гальванической развязкой, способность формировать мощные импульсы, близкие по форме к прямоугольным.

Среди многообразия случаев использования блокинг-генераторов можно выделить четыре главные:

формирователи импульсов;
сравнивающие устройства — компараторы;
импульсные автогенераторы;
делители частоты.

При использовании в качестве формирователей импульсов блокинг-генераторы работают в ждущем режиме. Важнейшими их характеристиками являются: чувствительность к запуску, длительность формируемых импульсов и её стабильность, предельно достигаемая частота срабатываний.

В блокинг-генераторах со встречным включением обмоток (положительной обратной связью) количество витков базовой обмотки (или сеточной) обмотки трансформатора должно превышать количество витков коллекторной (или анодной), как минимум, в три раза.

Описание работы

Схема работает благодаря положительной обратной связи через трансформатор. В течение времени T_{замкнут} ключ замкнут, в течение времени T_{разомкнут} ключ разомкнут.

Ключ замкнут

Когда ключ (это транзистор или электронная лампа) замкнут, почти всё напряжение источника питания V_б приложено к первичной обмотке трансформатора. При этом из-за индуктивности обмотки намагничивающий ток I_н = V₁×t/L, где t — параметр времени, приблизительно линейно увеличивается.

Этот намагничивающий ток I_н будет как бы следовать за наведённым током вторичной обмотки I₂, втекающим в её нагрузку (например на управляющую вход ключа; наведённый вторичной обмоткой ток первой обмотки = I₁/N). Изменение тока первичной обмотки вызывает изменение потока магнитного поля, проходящего через обмотки трансформатора; это меняющееся магнитное поле наводит относительно постоянное напряжение во вторичной обмотке V₂ = N×V_б. В некоторых схемах (как показано на картинках) напряжение вторичной обмотки V₂ складывается с входным напряжением источника V_б; в этом случае из-за того, что падение напряжения на первичной обмотке (пока ключ з) составляет примерно V_б, V₂ = (N+1)×V_б. Или же ключ может получить некоторое его управляющее напряжение или ток непосредственно из V_б, а остальное будет из наведённого V₂. Поэтому напряжение управления ключом находится как бы «в фазе», в том смысле, что оно держит ключ замкнутым и это (через ключ) поддерживает входное падение напряжение первичной обмотки.

В том случае, когда сопротивление первичной обмотки или ключа мало, нарастание намагничивающего тока I_н является линейным, и описано формулой в первом параграфе. Если же сопротивление первичной обмотки или ключа или обоих (полное сопротивление R, например сопротивление первичной обмотки + сопротивление эмиттера, сопротивление канала полевого транзистора), постоянная времени L/R делает намагничивающий ток растущей кривой с постоянно уменьшающимся наклоном. В любом случае ток намагничивания I_н пересилит совокупный ток первичной обмотки (и ключа) I₁. Без ограничителя он будет расти вечно.

Однако, в первом случае (малого сопротивления), ключ в конце концов не сможет выдавать всё больше тока, что означает что его выходное сопротивление повысится настолько сильно, что падение напряжения на ключе станет равным напряжению питания; в этом случае ключ называется «насыщенным» (например это определяется коэффициентом усиления транзистора h_fe или бетой).
Во втором случае (например ощутимо сопротивление первичной обмотки и/или эмиттера) (уменьшающийся) наклон тока уменьшается до момента, когда наведённого во вторичную обмотку напряжения уже будет недостаточно для того, чтобы держать ключ открытым.
В третьем случае, магнитный сердечник насыщается, что значит, что он больше не может позволить дальнейшего увеличения своего магнитного поля; при таком условии индукция первичной обмотки во вторую перестаёт работать.

В любом случае, скорость нарастания намагничивающего тока первичной обмотки (а потому и магнитного потока), или непосредственно скорость нарастания магнитного потока в случае насыщения магнитного сердечника, падает до нуля (или около того). В первых двух случаях, даже несмотря на то, что через первичную обмотку продолжает течь ток, он достигает устойчивого значения равного напряжению питания V_б поделённого на полное сопротивление R цепи первичной обмотки. В этом случае ограниченного тока магнитный поток трансформатора будет постоянным. Только меняющийся магнитный поток вызывает ЭДС индукции во вторичной обмотке, так что постоянный магнитный поток приведёт к тому, что этой ЭДС во вторичной обмотке не будет. Напряжение вторичной обмотки упадёт до нуля. В момент времени T_{разомкнут} ключ размыкается.

Ключ разомкнут

Намагничивающий ток первичной обмотки теперь I_{импульс, макс.} = V₁×T_{замкнут}/L. Энергия U = ½×L×I_{импульс, макс}² запасена в этом намагничивающем поле, созданном I_{импульс, макс}. Теперь уже нет напряжения первичной обмотки (V_б), чтобы выдержать дальнейшие увеличения магнитного поля, или даже хотя бы поля в стабильном состоянии, ключ размыкается, тем самым сняв напряжение с первичной обмотки. Магнитное поле (поток) начинает обваливаться, и оный обвал выталкивает энергию обратно в схему, создавая ток и напряжение в витках первичной обмотки, вторичной обмотки, или обеих. Индукция в первичную обмотку будет происходить посредством её витков, через которые проходят линии магнитного поля (представлено индуктивностью первичной обмотки L); сжимающийся магнитный поток создаёт на первичной обмотке напряжение, заставляющее ток либо продолжать вытекать из первичной обмотки в (теперь разомкнутый) ключ или втекать в нагрузку цепи первичной обмотки такую как светодиод, стабилитрон и т. п. Индукция во вторичную обмотку будет происходить посредством её витков, через которые проходят взаимные (связанные) линии магнитного поля; эта индукция вызывает появление напряжения на витках вторичной обмотки, и если это напряжение не заблокировано (например диодом или очень высоким сопротивлением базы полевого транзистора), ток вторичной обмотки потечёт в цепь вторичной обмотки (только в противоположном направлении). В любом случае, если ток некому потреблять, напряжение на ключе подскочит очень быстро. Без нагрузки в цепи первичной обмотки или в случае очень малого тока вторичной обмотки, напряжение будет ограничено только паразитной ёмкостью обмоток (так называемая межвитковая ёмкость), и она может разрушить ключ. Когда в цепи присутствует только межвитковая ёмкость и мельчайшая нагрузка вторичной обмотки, начинаются очень высокочастотные пульсации, и эти «паразитные пульсации» представляют собою источник электромагнитных помех.

Напряжение вторичной обмотки теперь обращается в отрицательное следующим образом. Уменьшающийся магнитный поток наводит в первичной обмотке ток таким образом, чтобы он, вытекал из первичной обмотки в только что разомкнутый ключ, в том же направлении, в котором тёк пока ключ был замкнут. Чтобы ток вытекал из конца первичной обмотки, соединённого с ключом, напряжение на стороне ключа должно быть положительным по отношению противоположному концу, то есть которому со стороны источника напряжения V_б. Но это представляет собою напряжение первичной обмотки, противоположное полярностью тому, что было, пока ключ был замкнут: во время T_{замкнут}, сторона ключа первичной обмотки была примерно нулём и поэтому отрицательной относительно стороны источника питания; теперь во время T_{разомкнут} оно стало положительным относительно V_б.

Из-за направления обмоток трансформатора, напряжение, появляющееся на вторичной обмотке теперь должно быть отрицательным. Отрицательное напряжение базы будет удерживать ключ (например биполярный NPN-транзистор или N-канальный полевой транзистор) разомкнутым, и это будет длиться до тех пор, пока вся энергия уменьшающегося магнитного потока не будет поглощена (чем-нибудь). Когда поглотителем является цепь первичной обмотки, например стабилитрон (или светодиод) с напряжением V_с, включённый обратно виткам первичной обмотки, формой тока будет треугольник со временем T_{разомкнут}, рассчитываемым формулой I_p = I_{импульс, макс} — V_с×T_{разомкнут}/L_p, где I_{импульс, макс} — ток первичной обмотки в момент размыкания ключа. Если поглотителем является конденсатор, напряжение и ток суть синусоида, и если поглотителем является конденсатор вместе с резистором, напряжение и ток имеют форму затухающей синусоиды.

Когда наконец энергия растратится, управляющая схема станет «разблокированной». Управляющее напряжение (или ток) в ключ теперь может свободно «втекать» в управляющий вход и замкнуть ключ. Это легче увидеть, когда конденсатор «переключает» управляющее напряжение или ток; пульсации переносят управляющее напряжение или ток с отрицательного (ключ разомкнут) через 0 в положительное (ключ замкнут).