Блокировка осцилляторы: қарапайым схема және қолданыстары
Blocking oscillator
Блокирлеу осцилляторы – транзистор немесе лампадан тұратын қарапайым схема. Тәуелсіз сигнал жасайды, уақыт генераторы, шамы, код тәжірибесі ретінде қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Блоктаушы осциллятор (кейде импульстік осциллятор деп аталады) – резистор, трансформатор және транзистор немесе вакуумдық түтік сияқты бір күшейткіш элементті қана талап ететін, еркін жұмыс істейтін сигналды тудыратын дискретті электрондық компоненттердің қарапайым құрылымы. Атауының себебі – күшейткіш элемент жұмыс циклының көп бөлігінде тоқтатылады немесе "блокталады", соның нәтижесінде релаксациялық осциллятор принципі бойынша периодтық импульстар пайда болады. Синусоидты емес шығыс сигнал радиожиілікті жергілікті осциллятор ретінде қолдануға қолайлы емес, бірақ ол уақыт генераторы ретінде электр шамдарын, жарықдиодтарды (LED), EL сымдарын немесе кішкентай неондық индикаторларды қуаттауға қолданылуы мүмкін. Егер шығыс сигнал аудио ретінде қолданылса, қарапайым үндік сигналдар дабылдық сигнализация немесе Морзе кодымен жаттығу құрылғысы сияқты қолданулар үшін жеткілікті. Кейбір камералар фотосурет түсіру алдында қызыл көз эффектісін азайту үшін блоктаушы осцилляторды қолданады. Схеманың қарапайымдылығы коммерциялық электрондық жинақтардағы көптеген оқу жобаларының негізін құрайды. Трансформатордың екінші орамы динамикке, шамға немесе реле орамына қосылуы мүмкін. Резистордың орнына, уақыт конденсаторымен параллель қосылған потенциометр жиілікті еркін реттеуге мүмкіндік береді, бірақ төмен кедергілерде транзистордың жүктемесі артығын тауып, зақымдануы мүмкін. Шығыс сигналы амплитудасы бойынша секіріп, айқын бұрмалануға ұшырайды.
A blocking oscillator (sometimes called a pulse oscillator) is a simple configuration of discrete electronic components which can produce a free running signal, requiring only a resistor, a transformer, and one amplifying element such as a transistor or vacuum tube. The name is derived from the fact that the amplifying element is cut off or "blocked" for most of the duty cycle, producing periodic pulses on the principle of a relaxation oscillator. The non sinusoidal output is not suitable for use as a radio frequency local oscillator, but it can serve as a timing generator, to power lights, LEDs, EL wire, or small neon indicators. If the output is used as an audio signal, the simple tones are also sufficient for applications such as alarms or a Morse code practice device. Some cameras use a blocking oscillator to strobe the flash prior to a shot to reduce the red eye effect. Due to the circuit's simplicity, it forms the basis for many of the learning projects in commercial electronic kits. The secondary winding of the transformer can be fed to a speaker, a lamp, or the windings of a relay. Instead of a resistor, a potentiometer placed in parallel with the timing capacitor permits the frequency to be adjusted freely, but at low resistances the transistor can be overdriven, and possibly damaged. The output signal will jump in amplitude and be greatly distorted.
Tжабық кезінде жұмыс істеу (бұғат жабық болған уақыт)
Қосылманы (транзистор, вакуум түтігі) жапқанда, ол Vb бастапқы кернеуді трансформатордың біріншілік орамасына қосады. Трансформатордың магниттеу тогы Im = Vprimary×t/Lp; мұнда t (уақыт) 0-ден басталатын өзгермелі шама. Бұл магниттеу тогы Im, екіншілік жүктемеге (мысалы, қосқыштың басқару терминалына; біріншілік орамаға екіншілік орамадан шағылысқан ток = Is/N) ағып келетін кез келген екіншілік тоқпен бірге жүреді. Біріншілік токтың өзгеруі трансформатор орамалары арқылы магнит өрісінің (ағынының) өзгеруіне алып келеді; бұл өзгеретін өріс (салыстырмалы түрде) тұрақты екіншілік кернеуді Vs = N × Vb тудырады. Кейбір конструкцияларда (суреттерде көрсетілгендей) екіншілік кернеу Vs бастапқы кернеу Vb-қа қосылады; бұл жағдайда, қосқыш жабық тұрғанда біріншілік орамадағы кернеу шамамен Vb болғандықтан, Vs = (N + 1) × Vb теңдігі орындалады. Балама ретінде, қосқыш өзінің басқару кернеуінің немесе тогының бір бөлігін тікелей Vb-дан, ал қалғанын индукцияланған Vs-дан алуы мүмкін. Осылайша, қосқыштың басқару кернеуі немесе тогы "фазада" болады, яғни ол қосқышты жабық күйде ұстайды және (қосқыш арқылы) бастапқы орамадағы кернеуді сақтайды. Егер біріншілік кедергісі және қосқыш кедергісі аз немесе жоқ болса, магниттеу тогының өсуі Im, бірінші абзацтағы формуламен сипатталатын "сызықтық қисық" болады. Егер біріншілік кедергісі, қосқыш кедергісі немесе екеуі де болса (жалпы кедергі R, мысалы, біріншілік ораманың кедергісі плюс эмиттердегі кедергі, FET арнасының кедергісі), Lp/R уақыт тұрақтысы магниттеу тогының өсу қисығының еңісінің үнемі төмендеуіне себеп болады. Екі жағдайда да магниттеу тогы Im, жалпы біріншілік (және қосқыш) тогы Ip-ден үлкен болады. Егер шектеуші болмаса, ол шексіз өсе береді. Алайда, бірінші жағдайда (кедергісі төмен) қосқыш ақырында тоқты "көтере алмайды", яғни оның тиімді кедергісі соншалықты артады, біріншілік орамадағы кернеудің төмендеуі қоректендіру кернеуіне тең болады; мұндай жағдайда қосқыш "қаныққан" деп есептеледі (мысалы, бұл транзистордың күшейту коэффициенті hfe немесе "бета" арқылы анықталады). Екінші жағдайда (мысалы, біріншілік және/немесе эмиттерлік кедергісі басым) токтың өсу қисығының еңісі соншалықты төмендейді, екіншілік орамаға индукцияланатын кернеу қосқышты жабық ұстау үшін жеткіліксіз болады. Үшінші жағдайда магниттік "қақпақ" материалы қанығады, яғни ол магнит өрісінің одан әрі өсуін қолдауға қабілетсіз болады; мұндай жағдайда біріншілік орамадан екіншілік орамаға индукция сәтсіз аяқталады. Барлық жағдайларда, біріншілік магниттеу тогының өсу жылдамдығы (осылайша ағыны) немесе қаныққан қақпақ материалының жағдайында ағынның өсу жылдамдығы тікелей нөлге (немесе нөлге жуық) төмендейді. Бірінші екі жағдайда, біріншілік ток ағып жатса да, ол біріншілік тізбегіндегі жалпы кедергіге R бөлінген Vb қоректендіру кернеуіне тең тұрақты мәнге жақындайды. Мұндай ток шектеулі жағдайда трансформатордың ағыны тұрақты болады. Тек өзгеретін ағын ғана екіншілік орамаға кернеуді индукциялайды, сондықтан тұрақты ағын индукцияның болмауына сәйкес келеді. Екіншілік кернеу нөлге дейін төмендейді. Қосқыш ашылады.
When the switch (transistor, vacuum tube) closes it places the source voltage Vb across the transformer primary. The magnetizing current Im of the transformer is Im = Vprimary×t/Lp; here t (time) is a variable that starts at 0. This magnetizing current Im will "ride upon" any reflected secondary current Is that flows into a secondary load (e. g. into the control terminal of the switch; reflected secondary current in primary = Is/N). The changing primary current causes a changing magnetic field ("flux") through the transformer's windings; this changing field induces a (relatively) steady secondary voltage Vs = N×Vb. In some designs (as shown in the diagrams) the secondary voltage Vs adds to the source voltage Vb; in this case because the voltage across the primary (during the time the switch is closed) is approximately Vb, Vs = (N+1)×Vb. Alternately the switch may get some of its control voltage or current directly from Vb and the rest from the induced Vs. Thus the switch control voltage or current is "in phase" meaning that it keeps the switch closed, and it (via the switch) maintains the source voltage across the primary. In the case when there is little or no primary resistance and little or no switch resistance, the increase of the magnetizing current Im is a "linear ramp" defined by the formula in the first paragraph. In the case when there is significant primary resistance or switch resistance or both (total resistance R, e. g. primary coil resistance plus a resistor in the emitter, FET channel resistance), the Lp/R time constant causes the magnetizing current to be a rising curve with continually decreasing slope. In either case the magnetizing current Im will come to dominate the total primary (and switch) current Ip. Without a limiter it would increase forever. However, in the first case (low resistance), the switch will eventually be unable to "support" more current meaning that its effective resistance increases so much that the voltage drop across the switch equals the supply voltage; in this condition the switch is said to be "saturated" (e. g. this is determined by a transistor's gain hfe or "beta"). In the second case (e. g. primary and/or emitter resistance dominant) the (decreasing) slope of the current decreases to a point such that the induced voltage into the secondary is no longer adequate to keep the switch closed. In a third case, the magnetic "core" material saturates, meaning it cannot support further increases in its magnetic field; in this condition induction from primary to secondary fails. In all cases, the rate of rise of the primary magnetizing current (and hence the flux), or the rate of rise of the flux directly in the case of saturated core material, drops to zero (or close to zero). In the first two cases, although primary current continues to flow, it approaches a steady value equal to the supply voltage Vb divided by the total resistance R in the primary circuit. In this current limited condition the transformer's flux will be steady. Only changing flux causes induction of voltage into the secondary, so a steady flux represents a failure of induction. The secondary voltage drops to zero. The switch opens.
Topen кезінде жұмыс істеу (бұлақ ашық болған уақыт)
Енді Топендегі коммутатор ашылғаннан кейін, бастапқы магнетизация тогы Ipeak,m = Vp × Tclosed / Lp, ал энергия Up осы “магнетизациялау” өрісінде Ipeak,m арқылы сақталады (энергия Um = 1/2 × Lp × Ipeak,m2). Бірақ енді магнит өрісінің одан әрі өсуін қамтамасыз ететін бастапқы кернеу (Vb) немесе тұрақты өріс жоқ, себебі коммутатор ашылып, бастапқы кернеуді жойды. Магнит өрісі (ағын) құлауға бастайды, ал құлау энергияны ток пен кернеуді бастапқы бұрылыстарға, екінші бұрылыстарға немесе екеуіне де индукциялау арқылы схемаға қайтарады. Бастапқы индукция барлық ағыннан өтетін бастапқы бұрылыстар арқылы жүзеге асады (бастапқы индуктивтілік Lp арқылы көрсетіледі); құлаушы ағын бастапқы кернеуді тудырады, ол токтың ашық коммутатордан немесе бастапқы жүктемеден (мысалы, LED немесе Зенер диоды) ағуына себеп болады. Екіншілікке индукция өзара (байланысқан) ағыннан өтетін екіншілік бұрылыстар арқылы жүзеге асады; бұл индукция екіншілікте кернеудің пайда болуына әкеледі, және егер бұл кернеу бұғатталмаса (мысалы, диодпен немесе FET шлюзінің өте жоғары кедергісімен), екіншілік ток екіншілік схемаға (бірақ кері бағытта) ағады. Қалай болғанда да, егер ток сіңіретін компоненттер болмаса, коммутатордағы кернеу өте жылдам өседі. Бастапқы жүктеме болмаса немесе екіншілік тогы өте шектеулі болса, кернеу тек орамдардың таратылған сыйымдылықтарымен (орамдар арасындағы сыйымдылық) шектеледі және коммутаторды бұзуы мүмкін. Энергияны сіңіретін тек орамдардың сыйымдылығы мен кішкентай екіншілік жүктеме болған кезде өте жоғары жиілікті тербелістер пайда болады, және бұл “паразиттік тербелістер” электромагниттік кедергілердің мүмкін көзі болып табылады. Екіншілік кернеудің потенциалы келесідей теріске қарай өзгереді. Құлаушы ағын бастапқы токтың бастапқыдан ашық коммутаторға қарай ағуына себеп болады, яғни коммутатор жабылған кезде ағып жатқан бағытта ағады. Токтың коммутатордың соңынан ағуы үшін, коммутатордың соңындағы бастапқы кернеу, Vb қоректендіру кернеуіне қатысты оң болуы керек. Бірақ бұл бастапқы кернеудің полярлығы коммутатор жабылған кездегіден кері: Tclosed кезінде бастапқы ажыратудың соңы шамамен нөлге тең болды және сондықтан қоректендіруге қатысты теріс болды; енді Тоpen кезінде ол Vb-ге қатысты оңға айналды. Трансформатордың “орамдар бағыты” (оның орамдарының бағыты) салдарынан, екіншілікте пайда болатын кернеу енді теріс болуы керек. Теріс басқару кернеуі коммутаторды (мысалы, NPN биполярлық транзистор немесе N-арналы FET) ашық күйде ұстайды, және бұл жағдай құлаушы ағын энергиясы сіңірілгенге дейін сақталады. Егер сіңіргіш бастапқы схемада болса, мысалы, бастапқы орамдарға кері қосылған Vz кернеуі бар Зенер диоды (немесе LED), ток толқынының пішіні үшбұрышты болады, ал уақыт Тоpen Ip = Ipeak,m Vz×Topen/Lp формуласымен анықталады, мұнда Ipeak,m коммутатор ашылған кездегі бастапқы ток. Егер сіңіргіш конденсатор болса, кернеу мен ток толқынының пішіні 1/2 циклдық синусоида, ал сіңіргіш конденсатор плюс резистор болса, толқын пішіні 1/2 циклдық сөндірілген синусоида болады. Энергия толық босатылғаннан кейін басқару схемасы “бұғатталмайды”. Коммутаторға басқару кернеуі (немесе тогы) енді басқару кірісіне “ағып” кіріп, коммутаторды жаба алады. Бұл конденсатор басқару кернеуін немесе токты “коммутациялағанда” жақсы көрінеді; тербеліс басқару кернеуін немесе токты теріс (коммутатор ашық) күйден 0 арқылы оң (коммутатор жабық) күйге жеткізеді.
Now that the switch has opened at Topen, the magnetizing current in the primary is Ipeak,m = Vp×Tclosed/Lp, and the energy Up is stored in this "magnetizing" field as created by Ipeak,m (energy Um = 1/2×Lp×Ipeak,m2). But now there is no primary voltage (Vb) to sustain further increases in the magnetic field, or even a steady state field, the switch being opened and thereby removing the primary voltage. The magnetic field (flux) begins to collapse, and the collapse forces energy back into the circuit by inducing current and voltage into the primary turns, the secondary turns, or both. Induction into the primary will be via the primary turns through which all the flux passes (represented by primary inductance Lp); the collapsing flux creates primary voltage that forces current to continue to flow either out of the primary toward the (now open) switch or into a primary load such as an LED or a Zener diode, etc. Induction into the secondary will be via the secondary turns through which the mutual (linked) flux passes; this induction causes voltage to appear at the secondary, and if this voltage is not blocked (e. g. by a diode or by the very high impedance of a FET gate), secondary current will flow into the secondary circuit (but in the opposite direction). In any case, if there are no components to absorb the current, the voltage at the switch rises very fast. Without a primary load or in the case of very limited secondary current the voltage will be limited only by the distributed capacitances of the windings (the so called interwinding capacitance), and it can destroy the switch. When only interwinding capacitance and a tiny secondary load is present to absorb the energy, very high frequency oscillations occur, and these "parasitic oscillations" represent a possible source of electromagnetic interference. The potential of the secondary voltage now flips to negative in the following manner. The collapsing flux induces primary current to flow out of the primary toward the now open switch i. e. to flow in the same direction it was flowing when the switch was closed. For current to flow out of the switch end of the primary, the primary voltage at the switch end must be positive relative to its other end that is at the supply voltage Vb. But this represents a primary voltage opposite in polarity to what it was during the time when the switch was closed: during Tclosed, the switch end of the primary was approximately zero and therefore negative relative to the supply end; now during Topen it has become positive relative to Vb. Because of the transformer's "winding sense" (direction of its windings), the voltage that appears at the secondary must now be negative. A negative control voltage will maintain the switch (e. g. NPN bipolar transistor or N channel FET) open, and this situation will persist until the energy of the collapsing flux has been absorbed (by something). When the absorber is in the primary circuit, e. g. a Zener diode (or LED) with voltage Vz connected "backwards" across the primary windings, the current waveshape is a triangle with the time topen determined by the formula Ip = Ipeak,m Vz×Topen/Lp, here Ipeak,m being the primary current at the time the switch opens. When the absorber is a capacitor the voltage and current waveshapes are a 1/2 cycle sinewave, and if the absorber is a capacitor plus resistor the waveshapes are a 1/2 cycle damped sinewave. When at last the energy discharge is complete, the control circuit becomes "unblocked". Control voltage (or current) to the switch is now free to "flow" into the control input and close the switch. This is easier to see when a capacitor "commutates" the control voltage or current; the ringing oscillation carries the control voltage or current from negative (switch open) through 0 to positive (switch closed).
Қайталану көрсеткіші 1/ ((Tжабық + Топен)
Ең қарапайым жағдайда, жалпы циклдің ұзақтығы (Tclosed + Topen), демек оның қайталану жиілігі (цикл ұзақтығының кері шамасы) трансформатордың магниттеу индуктивтігі Lp, желілік кернеу және жүктеме кернеуі Vz-ге дерлік толығымен байланысты. Энергияны жұту үшін конденсатор мен резистор қолданылғанда, қайталану жиілігі R C уақыт тұрақтысына, немесе R шағын немесе болмаған жағдайда L C уақыт тұрақтысына тәуелді болады (L, Lp, Ls немесе Lp,s болуы мүмкін).
In the simplest case, the duration of the total cycle (Tclosed + Topen), and hence its repetition rate (the reciprocal of the cycle duration), is almost wholly dependent on the transformer's magnetizing inductance Lp, the supply voltage, and the load voltage Vz. When a capacitor and resistor are used to absorb the energy, the repetition rate is dependent on the R C time constant, or the L C time constant when R is small or non existent (L can be Lp, Ls or Lp,s).
Патенттер
1937 жылы тіркелген 2211852 АҚШ патенті, "Блоктаушы осциллятор аппараты". (вакуумдық түтік негізінде). 1951 жылы тіркелген 2745012 АҚШ патенті, "Транзисторлық блоктаушы осцилляторлар". 1955 жылы тіркелген 2780767 АҚШ патенті, "Төмен кернеуді жоғары тұрақты кернеуге түрлендіруге арналған схемалық құрылым". 1956 жылы тіркелген 2881380 АҚШ патенті, "Кернеу түрлендіргіш".
US Patent 2211852, filed in 1937, "Blocking oscillator apparatus". (based around a vacuum tube). US Patent 2745012, filed in 1951, "Transistor blocking oscillators". US Patent 2780767, filed in 1955, "Circuit arrangement for converting a low voltage into a high direct voltage". US Patent 2881380, filed in 1956, "Voltage converter".