Блокинг-генераторы.

Блокинг-генераторы позволяют получать кратковременные им­пульсы большой мощности, близкие по форме к прямоугольным. Скважность импульсов больше, чем у мультивибраторов, т. е. время импульса много меньше периода колебаний. В схемах электрооборудо­вания блокинг-генераторы используют для переключения триггеров, управления тиристорами и т. п.

Рисунок 7.17. Схема блокинг-генератора с ОЭ в автоколебательном режиме:

а) схема; б) диаграмма напряжения.

Блокинг-генератор в а в т о к о л е б а т е л ь н о м р е ж и м е является однокас­кадным генератором импульсов, в котором сильная положительная об­ратная связь обеспечивается с помощью трансформатора (рис. 7.17, а).

При увеличении коллекторного тока, проходящего по первичной обмотке трансформатора, во вторичной базовой обмотке наводится ЭДС с такой полярностью, которая приводит к дальнейшему увели­чению тока коллектора, так как плюсовая полярность подключается к эмиттеру. При уменьшении тока коллектора ЭДС в базовой обмот­ке меняет направление, и плюс подключается к базе, что способствует дальнейшему уменьшению тока коллектора. В результате сильной об­ратной связи нарастание и уменьшение тока в цепи коллектора проис­ходит лавинообразно, что обеспечивает крутой передний и задний фронт импульса. Выходное напряжение (импульс) снимается со специальной нагрузочной обмотки трансформатора.

Рассмотрим работу блокинг-генератора с момента времени t1, ког­да напряжение на конденсаторе С падает до нуля (рис. 7.17,б, кривая Uc) и транзистор начинает открываться. С этого момента в коллектор­ной цепи появляется ток, и первичная обмотка трансформатора намаг­ничивает сердечник. Увеличивающийся магнитный поток сердечника наводит в базовой обмотке трансформатора ЭДС положительной по­лярности относительно эмиттера. Увеличиваются ток первичной об­мотки, магнитный поток сердечника, ЭДС базовой обмотки и в итоге коллекторный ток. Процесс развивается лавинообразно. В момент вре­мени t2 транзистор оказывается в зоне насыщения, и напряжение на коллекторном переходе становится минимальным (кривая Uк).За ин­тервал времени t1 - t2 ЭДС базовой обмотки достигает максимальной отрицательной величины е_б._мах На этом формирование переднего фронта импульса заканчивается.

Интервал времени t1 - t2 чрезвычайно мал, и электрическое сос­тояние конденсатора С практически не меняется (кривая Uc). После достижения транзистором режима насыщения конденсатор начинает заряжаться под действием ЭДС базовой обмотки через открытый пе­реход эмиттер-база. Сопротивление цепи заряда невелико, и к моменту времени tз напряжение на конденсаторе достигнет максимума U_{С МАХ}. При этом уменьшаются отрицательное напряжение u_б и ток в цепи базы.

В трансформаторе первичная обмотка оказывает намагничивающее действие, а вторичная - размагничивающее. При неизменном токе коллектора в интервале t2 - tз и уменьшающемся токе базы размагни­чивающее действие вторичной базовой обмотки уменьшается и, сле­довательно, результирующий магнитный поток сердечника растет при­близительно прямолинейно. Если магнитный поток увеличивается с по­стоянной скоростью, то наводимые в обмотках ЭДС сохраняют не­изменные значения, и напряжение U_К остается практически постоян­ным. Этим объясняется формирование плоской вершины импульса.

Резкое уменьшение тока базы выводит транзистор из насыщенного состояния и восстанавливает его усилительные свойства. После момен­та времени tз коллекторный ток начинает уменьшаться, что вызывает снижение скорости нарастания магнитного потока сердечника транс­форматора. Уменьшение ЭДС базовой обмотки, отрицательного на­пряжения U_Б приводит к уменьшению коллекторного тока.

Из выражения U_Б = - Е_Б + U_С следует, что, как только ЭДС базовой обмотки е_б по абсолютному значению станет меньше напряже­ния на конденсаторе U_С, напряжение на переходе эмиттер - база U_Б окажется положительным. Это приведет к закрыванию транзистора. Коллекторный ток и намагничивающий поток сердечника трансформа­тора будут резко падать. При этом изменится полярность вторичных ЭДС трансформатора. Электродвижущая сила самоиндукции первич­ной обмотки превысит напряжение u_к на величину ΔU_К, а напряжение на переходе эмиттер-база станет больше напряжения заряженного конденсатора на величину Δu_б. Для уменьшения э. д. с. самоиндук­ции первичной обмотки трансформатора параллельно последней вклю­чают цепочку Rш - VD, которая создает разрядный контур для ЭДС. Резистор Rк ограничивает выброс напряжения ΔU_К, и силу коллекторного тока до допустимого значения. Таким образом, с момента tз наступает формирование среза импульса.

После закрывания транзистора начинается медленный разряд кон­денсатора С через базовую обмотку трансформатора, резисторы Rб и Rф, внутреннее сопротивление источника питания Ек. Время разряда конденсатора много больше времени импульса, а индуктивность ба­зовой обмотки не оказывает влияния на процесс разряда. Время раз­ряда конденсатора, которое зависит от емкости последнего и сопротив­ления цепи разряда, определяет время паузы между импульсами. Ког­да конденсатор полностью разрядится, начнется формирование нового импульса.

По аналогии с мультивибратором, для блокинг-генератора ж д у щ и й р е ж и м характерен тем, что схема генерирует импульсы только при поступлении на её вход запускающих импульсов произвольной формы. Для получения ждущего режима в блокинг-генератор должно быть включено запирающее напряжение (рис. 7.18).

Рисунок 7.18 Блокинг-генератор в ждущем режиме

В исходном состоянии транзистор закрыт отрицательным смещением на базе (-E_б) и прямой блокинг-процесс начинается только после подачи на базу транзистора положительного импульса достаточной амплитуды. Формирование импульса осуществляется так же, как и в автоколебательном режиме. Разряд конденсатора С1 после окончания импульса происходит до напряжения -E_б. Затем транзистор остается закрытым до прихода следующего запускающего импульса. Форма и длительность импульсов, формируемых блокинг-генератором, зависит при этом от параметров схемы.

Для нормальной работы ждущего блокинг-генератора необходимо выполнить неравенство:

,

где Т_з - период повторения запускающих импульсов.

Для устранения влияния цепей запуска на работу ждущего блокинг-генератора включают разделительный диод VD2, который закрывается после открывания транзистора, в результате чего прекращается связь между блокинг-генератором и схемой запуска.

Приведем пример использования блокинг-генератора в одной из судовых схем.Вкачестве проблесковых огней на спасательных средствах морских судов современной постройки начали использоваться импульсные лампы, импульсный источник света высокой интенсивности, в котором используется свечение плазмы, возникающее, например, при конденсированном искровом разряде в инертном газе или при сжигании металлической фольги в кислороде. От газоразрядных источников света непрерывного горения импульсные лампы отличаются большими значениями плотностей тока и более высокой температурой плазмы, достигающей 30000 К.

Проблесковый огонь на спасательных средствах представляет собой огонь, дающий проблески через регулярные интервалы с частотой 120 или более проблесков в минуту. В качестве источника света используются импульсные лампы типа ИФК-120.

Подача питания на импульсную лампу производится посредством высоковольтного преобразователя, показанного на рис. 7.19 , основу которого составляет блокинг-генератор, формирующий на обмотке II трансформатора Т1 импульсы напряжения с необходимой амплитудой. Через диод VD3 они заряжают конденсатор С5, который становится, таким образом, источником питания импульсной лампы.

В цепь питания блокинг-генератора введен транзистор VT2, коллекторный ток которого зависит от тока базы, зависящего, в свою очередь, от тока стока полевого транзистора VT3 . Напряжение на затворе этого транзистора зависит от напряжения на стабилитроне VD1 (транзистор VT1 - его токозадающий «резистор») и соотношения «плечей» делителя R3+R4, R6 (резистором R3 выставляют нужное напряжение на лампе).

Рисунок 7.19 Преобразователь для проблескового огня на блокинг-генераторе.

Немаловажным прибором для судового электромеханика является устройство определения места межвиткового замыкания в обмотках электродвигателей и различных катушек индуктивности

Рисунок 7.20 Прибор поиска межвиткового замыкания в обмотках

Прибор содержит блокинг-генератор (см.рис. 7.20), собранный на транзисторе Тр1. К обмотке III трансформатора блокинг-генератора через выпрямитель на диодах D1 и D2 подключен измерительный прибор ИП1, в качестве которого используется тестер со шкалой измерения 50 мкА. Трансформатор намотан на стержневом сердечнике из феррита 160х8, обмотки выполнены в один слой проводом ПЭВ-2 Φ - 0,15. На свободный конец сердечника трансформатора устанавливают проверяемую катушку.

При подаче кнопкой КН1 напряжения питания на блокинг-генератор последний вырабатывает колебания частотой 85 кГц. Измерительный прибор регистрирует величину выпрямленного тока. При наличии короткозамкнутых витков за счет большого вносимого затухания в контуре блокинг-генератора колебания не возникают, и стрелка прибора остается на нулевой отметке шкалы.

Триггеры.

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых сос­тояния, т. е. наличие или отсутствие сигнала на выходе. Изменение состояния триггера производится внешним запускающим (переключаю­щим, стартовым) сигналом, вызывающим в схеме лавинообразный про­цесс. Чрезвычайно быстрый переход триггера из одного состояния в другое создает форму выходного напряжения, близкую к прямоуголь­ной. Поэтому триггерные схемы являются генераторами прямоуголь­ных импульсов с внешним запуском.

В отличие от мультивибраторов временное положение и частота следования выходных импульсов триггеров определяются параметрами запускающего напряжения. Это позволяет получать выходные импуль­сы в строго определенные моменты времени и с нужной частотой пов­торения.

В интервале между переключающими сигналами состояние триггера не меняется, т. е. триггер «запоминает» поступление сигнала, что отра­жается значением потенциала на выходе. Это дает возможность исполь­зовать триггер как элемент памяти. При поступлении каждой пары переключающих импульсов потенциал на выходе триггера меняется от высокого к низкому и обратно, Т.е. на выходе формируется один импульс. Таким образом, триггер можно использовать как делитель частоты переключающих импульсов на два.

Триггеры находят широкое применение в счетно-решающих уст­ройствах и в схемах дистанционного автоматизированного управления.

С и м м е т р и ч н ы й т р и г г е р с внешним смещением­ показан на рис.7.21. Триггер представляет собой двухкаскад­ный усилитель, где выход одного каскада связан со входом другого делителем напряжения на резисторах R - R_б. Обычно схему выпол­няют симметричной, т. е. соответствующие резисторы плеч (каскадов), конденсаторы и транзисторы имеют одинаковые параметры. В схеме используется источник внешнего положительного смещения Е_б, И база каждого транзистора имеет потенциал, значение которого лежит между + Е_б и отрицательным потенциалом коллектора Е_к другого транзистора.

Рисунок 7.21Симметричный триггер с внешним смещением.

а) схема; б) диаграмма напряжений

Предположим, что транзистор VT1 закрыт и напряжение на пере­ходе эмиттер – коллектор U_1к ≈ Ек (начало отсчета на кривой U_1к). При определенном подборе резисторов делителя R1 - R_2б потенциал базы транзистора VT2 может быть достаточно отрицательным для насыщения последнего. В открытом состоянии транзистора VT2 по­тенциалы эмиттера и базы транзистора VT1 примерно равны, даже если не учитывать запирающего действия напряжения смещения Е_б. Следовательно, в триггере при одном открытом транзисторе второй надежно закрыт.

В отличие от мультивибратора, где потенциал базы транзистора зависит от электрического состояния связывающего конденсатора и при разряде происходит процесс опрокидывания схемы, триггер из одного устойчивого состояния в другое перейти нe может. Чтобы вы­вести схему из устойчивого состояния, необходимо подать на базу закрытого транзистора отрицательный запускающий импульс (кривая Uзап) или на базу открытого - положительный.

Допустим, что под действием импульса откроется транзистор VT2. Время соответствует началу координат на кривых напряжений. При этом возникнет ток в цепи коллектора транзистора VT2, и потенциал коллектора станет менее отрицательным. Это состояние через делитель R2 - R_1б передается на базу транзистора VT1, у которого умень­шается ток в цепи коллектора, и потенциалы коллектора VT1 и базы VT2 станут более отрицательными, что приведет к дальнейшему откры­ванию транзистора VT2. Процесс переключения триггера протекает лавинообразно и чрезвычайно быстро, что позволяет считать форму кривых коллекторных напряжений прямоугольной. При регулярной подаче на вход триггера разнополярных запускающих импульсов на выходе возникают импульсы прямоугольной формы.

Конденсаторы С1, С2 называются ускоряющими. Они служат для форсирования процесса переключения триггера. В период паузы между переключениями триггера конденсатор, присоединенный к коллектору закрытого транзистора, заряжается базовым током открытого. В это же время второй конденсатор, присоединенный к коллектору открытого транзистора, разряжается. При лавинообразном переключении базо­вый токоткрывающегося транзистора проходит через разряженный конденсатор и не ограничивается резисторами R1 и R2 ускоряющие конденсаторы ограничивают минимальное время паузы между переключениями триггера. Очередной запускающий импульс приходится подавать после того, как напряжение на ускоряю­щих конденсаторах достигло установившегося значения. Другое отрицательное влияние ускоряющих конденсаторов - некоторое искаже­ние прямоугольной формы выходного импульса из-за времени заряда и разряда конденсатора.

Н е с и м м е т р и ч н ы й т р и г г е р с эмиттерной связью (триггер Шмидта) показан на рис.7.22

Рисунок 7.22. Триггер Шмидта.

.В схеме триггера Шмидта выход левого каскада на транзисторе VТ1 связан со входомправого на транзисторе VТ2 делителем напряжения (рези­сторы R - R_б), как в схемесимметричного триггера, а связь правого каскада с левым осуществляется через общий резистор Rэ в цепи обоих эмиттеров. Параллельно общему резистору нельзя подключать конден­сатор, так как в этом случае на Rэ не будет возникать быстрых изме­нений напряжения. Конденсатор С является ускоряющим, а конден­сатор Ср - разделительным.

Делитель напряжения (резисторы R1 - R2) обеспечивает необходимый режим работы транзистора VТ1. Как и в симметричном триггере, эта схемаимеет два устойчивых состояния. Любой транзистор может быть закрыт, если его эмиттер имеет потенциал ниже, чем база.

Допустим, транзистор VТ1 насыщен, тогда коллекторное напряже­ние U_1к можно считать равным падению напряжения на резисторе R_э, которое на графике представлено величиной U′_Э. Напряжение U_1к де­лится резисторами R1 - R_б и часть его подается на базу транзистора VT2.

Если насыщен транзистор VТ2, то транзистор VT1 будет закрыт, когда потенциал эмиттера будет ниже, чем базы. Для выполнения этого условия падение напряжения на резисторе R_Э должно быть больше, чем на резисторе R2 (на графике представлено величиной U1б). Этот режим устанавливают подбором резисторов R1 - R2.

В открытом состоянии транзистора VТ1 напряжение U1б больше, чем U′_э. Когда транзистор VТ1 закрыт, напряжение U1б меньше, чем и″_э. Так как напряжение U1б на резисторе R2 не меняется, должно вы­полняться условие

.

Процесс переключения триггера происходит следующим образом. Допустим, на базу открытого транзистора VТ1 подается положительный импульс, под действием которого транзистор выходит из насыщенного состояния. В результате ток в цепи коллектора VТ1 становится мень­ше, а потенциал коллектора - ниже. Соответственно ниже становится потенциал базы транзистора VТ2. Увеличиваются ток, проходящий через резистор Rэ инапряжение на нем. Потенциал эмиттера VТ1 уменьшается, что способствует дальнейшему закрыванию транзистора VT1.

В итоге транзистор VТ1 закрывается, а VT2 насыщается. При по­даче отрицательного импульса на базу транзистора VТ1 происходит лавинообразный процесс опрокидывания триггера, который заканчи­вается закрыванием транзистора VT2. На выходе возникает напряже­ние, примерно равное напряжению источника Е к.

Триггер Шмидта в схемахавтоматизации часто используется для питания катушек реле исполнительных механизмов. Тому может быть примером схема дистанционного включения клапанов балластных танков (см. рис. 7.23).

Рисунок 7.23. Электронное управление клапанами балластных танков.

При наборе схемы балластирования или кренования судна с ходового мостика нажимаются кнопки «Пуск» тех танков, которые необходимо заполнить или осушить. После нажатия на кнопку «Пуск» на базу транзистора VT1 поступает положительный потенциал и открывает его по схеме: +12В – кнопка «Пуск» - резистор R1 – база VT1.

После открытия транзистора VT1 транзистор VT2 закрывается, т.к. на его базе полное отсутствие положительного потенциала из-за падения напряжения на резисторах R7 и R3, при чем , на резисторе R7 падение напряжения больше, чем на R8 (так подобраны резисторы) и на базе транзистора VT2 присутствует даже небольшой отрицательный потенциал.

Т.к. транзистор VT2 закрылся, то транзистор VT3 откроется (по цепи: +12В – R7 – база транзистора VT3) и держит открытым транзистор VT1 ( по цепи: +12В – база транзистора VT3 – R1 - база транзистора VT1). Кнопку «Пуск» можно отпускать.

При закрытии клапана нажимается кнопка «Стоп» и транзистор VT2 открывается, а транзистор VT3 закрывается и клапан теряет питание. Также теряет положительный потенциал и транзистор VT1, тем самым, подавая положительный потенциал на транзистор VT2, кнопку «Стоп» можно отпускать.