Введение
Блокирующий генератор (иногда называемый импульсным генератором) – это простая схема из дискретных электронных компонентов, способная генерировать незатухающий сигнал, для которого требуются только резистор, трансформатор и один усиливающий элемент, такой как транзистор или вакуумная лампа. Название происходит от того факта, что усиливающий элемент отключается или "блокируется" на большей части периода, генерируя периодические импульсы по принципу релаксационного генератора. Несинусоидальный выходной сигнал не подходит для использования в качестве гетеродина радиочастотного тракта, но может служить генератором импульсов для управления освещением, светодиодами, электролюминесцентной проволокой или небольшими неоновыми индикаторами. Если выход используется как аудиосигнал, простых тонов достаточно для таких применений, как сигнализация или тренажер для изучения азбуки Морзе. Некоторые камеры используют блокирующий генератор для предварительной импульсной вспышки перед съемкой, чтобы уменьшить эффект "красных глаз". Благодаря простоте схемы, она является основой для многих учебных проектов в коммерческих наборах для электроники. Вторичная обмотка трансформатора может подключаться к динамику, лампе или обмоткам реле. Вместо резистора можно использовать потенциометр, включенный параллельно с конденсатором синхронизации, что позволяет свободно регулировать частоту, однако при низких значениях сопротивления транзистор может быть перегружен и, возможно, поврежден. В этом случае выходной сигнал будет резко меняться по амплитуде и сильно искажаться.
Работа во время Tзакрыто (время, когда выключатель закрыт)
Когда переключатель (транзистор, вакуумная трубка) замыкается, он подает напряжение источника Vb на первичную обмотку трансформатора. Магниторазмагничивающий ток Im трансформатора равен Im = Vprimary×t/Lp; здесь t (время) – переменная, начинающаяся с 0. Этот магниторазмагничивающий ток Im "накладывается" на любой отраженный вторичный ток Is, протекающий во вторичную нагрузку (например, в управляющий вывод переключателя; отраженный вторичный ток в первичной обмотке = Is/N). Изменение первичного тока вызывает изменение магнитного поля ("потока") в обмотках трансформатора; это изменяющееся поле индуцирует (относительно) стабильное вторичное напряжение Vs = N×Vb. В некоторых конструкциях (как показано на схемах) вторичное напряжение Vs складывается с напряжением источника Vb; в этом случае, поскольку напряжение на первичной обмотке (во время замыкания переключателя) приблизительно равно Vb, Vs = (N+1)×Vb. В качестве альтернативы, переключатель может получать часть своего управляющего напряжения или тока непосредственно от Vb, а остальную часть – от индуцированного Vs. Таким образом, управляющее напряжение или ток переключателя находится "в фазе", то есть поддерживает переключатель в замкнутом состоянии, и (через переключатель) поддерживает напряжение источника на первичной обмотке. В случае, когда первичное и сопротивление переключателя малы или отсутствуют, увеличение магниторазмагничивающего тока Im представляет собой "линейный рост", определяемый формулой в первом абзаце. В случае, когда присутствует значительное первичное сопротивление, сопротивление переключателя или оба (общее сопротивление R, например, сопротивление первичной обмотки плюс сопротивление в эмиттере, сопротивление канала полевого транзистора), временная константа Lp/R приводит к тому, что магниторазмагничивающий ток становится восходящей кривой с постоянно уменьшающимся наклоном. В любом из этих случаев магниторазмагничивающий ток Im начинает доминировать над общим первичным (и переключательным) током Ip. Без ограничителя он будет расти бесконечно. Однако в первом случае (низкое сопротивление) переключатель в конечном итоге не сможет "выдержать" больший ток, что означает, что его эффективное сопротивление увеличивается настолько, что падение напряжения на переключателе становится равным напряжению питания; в этом состоянии переключатель считается "насыщенным" (например, это определяется коэффициентом усиления транзистора hfe или "бета"). Во втором случае (например, при преобладании первичного и/или сопротивления эмиттера) (уменьшающийся) наклон тока снижается до такой степени, что индуцированное напряжение во вторичной обмотке становится недостаточным для поддержания переключателя в замкнутом состоянии. В третьем случае магнитный "сердечник" насыщается, то есть он не может поддерживать дальнейшее увеличение своего магнитного поля; в этом состоянии индукция от первичной обмотки ко вторичной прекращается. Во всех случаях скорость нарастания первичного магниторазмагничивающего тока (и, следовательно, потока) или скорость нарастания потока напрямую, в случае насыщенного сердечника, падает до нуля (или близко к нулю). В первых двух случаях, хотя первичный ток продолжает течь, он приближается к постоянному значению, равному напряжению питания Vb, деленному на общее сопротивление R в первичной цепи. В этом состоянии с ограниченным током магнитный поток трансформатора будет стабильным. Только изменяющийся поток вызывает индукцию напряжения во вторичной обмотке, поэтому стабильный поток означает прекращение индукции. Вторичное напряжение падает до нуля. Переключатель открывается.
Работа во время Topen (время, когда переключатель открыт)
Теперь, когда переключатель разомкнулся в схеме Topen, магнитный ток в первичной обмотке равен Ipeak,m = Vp × Tclosed / Lp, а энергия Up запасена в этом "магнитном" поле, созданном током Ipeak,m (энергия Um = 1/2 × Lp × Ipeak,m2). Однако теперь отсутствует первичное напряжение (Vb) для поддержания дальнейшего увеличения магнитного поля или даже стабильного состояния поля, поскольку переключатель разомкнут и, следовательно, первичное напряжение отсутствует. Магнитное поле (поток) начинает спадать, и это спадание возвращает энергию в схему, индуцируя ток и напряжение в первичные и вторичные обмотки, или в обе. Индукция в первичной обмотке происходит через первичные витки, через которые проходит весь поток (представленный первичной индуктивностью Lp); спадающий поток создает первичное напряжение, которое заставляет ток продолжать течь либо из первичной обмотки к разомкнутому переключателю, либо в первичную нагрузку, такую как светодиод или диод Зенера и т.д. Индукция во вторичной обмотке происходит через вторичные витки, через которые проходит взаимный (связанный) поток; эта индукция вызывает появление напряжения на вторичной обмотке, и если это напряжение не блокируется (например, диодом или высоким сопротивлением затвора FET), вторичный ток потечет во вторичную цепь (но в противоположном направлении). В любом случае, если нет компонентов для поглощения тока, напряжение на переключателе очень быстро возрастает. Без первичной нагрузки или при очень ограниченном вторичном токе напряжение будет ограничено только распределенными емкостями обмоток (так называемой межвитковой емкостью), что может привести к повреждению переключателя. Когда присутствуют только межвитковая емкость и небольшая вторичная нагрузка для поглощения энергии, возникают высокочастотные колебания, и эти "паразитные колебания" могут быть источником электромагнитных помех. Потенциал вторичного напряжения теперь меняет полярность на отрицательную следующим образом. Спадающий поток индуцирует первичный ток, текущий из первичной обмотки к разомкнутому переключателю, то есть в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Для того чтобы ток выходил из стороны переключателя первичной обмотки, первичное напряжение на этой стороне должно быть положительным относительно другого конца, который находится под напряжением питания Vb. Но это означает, что первичное напряжение имеет полярность, противоположную той, что была при замкнутом переключателе: во время Tclosed сторона переключателя первичной обмотки была примерно равна нулю и, следовательно, отрицательна относительно стороны питания; теперь, во время Topen, она стала положительной относительно Vb. Из-за "смысла намотки" трансформатора (направления его обмоток) напряжение, которое появляется на вторичной обмотке, теперь должно быть отрицательным. Отрицательное управляющее напряжение будет удерживать переключатель (например, NPN биполярный транзистор или N-канальный FET) разомкнутым, и эта ситуация сохранится до тех пор, пока энергия спадающего потока не будет поглощена (чем-либо). Когда поглотитель находится в первичной цепи, например, диод Зенера (или светодиод) с напряжением Vz, включенным "в обратном" направлении через первичные обмотки, форма волны тока представляет собой треугольник, а время Topen определяется формулой Ip = Ipeak,m × Vz × Topen / Lp, где Ipeak,m – первичный ток в момент открытия переключателя. Когда поглотителем является конденсатор, формы волн напряжения и тока представляют собой синусоиду полуцикла, а если поглотителем является конденсатор плюс резистор, формы волн представляют собой затухающую синусоиду полуцикла. Когда, наконец, разряд энергии завершен, схема управления "разблокируется". Управляющее напряжение (или ток) переключателя теперь может свободно "протекать" во вход управления и замыкать переключатель. Это легче увидеть, когда конденсатор "коммутирует" управляющее напряжение или ток; колебание перенапряжения передает управляющее напряжение или ток от отрицательного (переключатель разомкнут) через 0 к положительному (переключатель замкнут).
Скорость повторения 1/{T закрыто + Топен)
В самом простом случае длительность полного цикла (Tclosed + Topen), а следовательно, и частота его повторения (величина, обратная длительности цикла), почти полностью определяется магнитной индуктивностью трансформатора Lp, напряжением источника питания и напряжением нагрузки Vz. При использовании конденсатора и резистора для поглощения энергии, частота повторения зависит от RC-постоянной времени, или от LC-постоянной времени, когда R мало или отсутствует (L может быть Lp, Ls или Lp,s).
Патенты
Патент США 2211852, поданный в 1937 году, "Блокирующий генератор". (основан на вакуумной лампе). Патент США 2745012, поданный в 1951 году, "Транзисторные блокирующие генераторы". Патент США 2780767, поданный в 1955 году, "Схема для преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение". Патент США 2881380, поданный в 1956 году, "Преобразователь напряжения".