Генератор, в зависимости от напряжения источника питания, вырабатывает высоковольтные импульсы амплитудой до 25 кВ. Он может работать от гальванической батареи на 6В (четыре элемента типа "А"), аккумуляторной батареи на 6... 12В, бортовой сети автомобиля, лабораторного источника питания до 15В. Диапазон применения достаточно широк: электроизгороди на ферме для животных, зажигалка для газа, электрошоковое средство защиты, и др. При изготовлении подобных устройств наибольшие трудности вызывает высоковольтный трансформатор.

Даже при удачном изготовлении он не отличается надежностью и часто выходит из строя от сырости или из-за пробоя изоляции между катушками. Попытка сделать высоковольтный генератор на основе диодного умножителя напряжения тоже не всегда дает положительный результат.

Проще всего использовать готовый высоковольтный трансформатор - автомобильную катушку зажигания от автомобиля с классической системой зажигания. Этот трансформатор отличается высокой надежностью и может работать даже в самых не благоприятных полевых условиях. Конструкция катушки зажигания рассчитана на жесткую эксплуатацию в любых погодных условиях.

Принципиальная схема генератора показана на рисунке. На транзисторах VT1 и VT2 сделан несимметричный мультивибратор, он вырабатывает импульсы частотой около 500 Гц. Эти импульсы протекают через коллекторную нагрузку транзистора VT2 - первичную обмотку катушки зажигания. В результате в её вторичной обмотке, имеющей значительно большее число витков, наводится переменное импульсное высоковольтное напряжение.

Это напряжение поступает на разрядник, если это средство самозащиты или зажигалка для газа, или на электроизгородь. В этом случае на изгородь подается напряжение с центрального вывода катушки зажигания (с того вывода, с которого напряжение поступает на распределитель и свечи), а общий плюс схемы нужно заземлить.

Если генератор будет использоваться как средство самозащиты, его удобнее всего сделать в виде палки. Взять пластмассовую или металлическую трубку такого диаметра, чтобы в неё туго вставлялась катушка зажигания своим металлическим корпусом. В остальном пространстве трубы расположить батареи питания и транзисторы. S1 в этом случае - приборная кнопка. Верхнюю часть корпуса катушки придется переделать.

Удобнее всего взять штепсельную вилку старого образца для сети 220В, с вывинчивающимися контактами. Отверстие под провод в ней нужно рассверлить так, чтобы в него плотно входила часть катушки зажигания с высоковольтным контактом. Затем нужно вывести монтажные провода от этого контакта и от общего плюса схемы и по самым краям вилки их подвести к штыревым контактами вилки.

Затем эту вилку нужно промазать эпоксидным клеем в рассверленном отверстии под провод и туго насадить на пластмассовый корпус высоковольтного контакта катушки. Под штыревые контакты вилки нужно привинтить разрядные лепестки, расстояние между которыми должно быть около 15 мм.

Катушка зажигания может быть любая от контактной системы зажигания (от электронной не подходит), желательно импортная, - она меньше по размерам и лете.

Настройка заключается в подборе номинала R1 таким образом, чтобы между разрядными лепестками был надежный электрический разряд.

Задачей расчета являетсяопределение структуры электрической схемы, выбор элементной базы, определение параметров электрической схемы генераторов импульсов.

Исходные данные:

· вид технологического процесса и его характеристики;

· конструктивное использование разрядной цепи;

· характеристики напряжения питания;

· параметры электрического импульса и др.

Последовательность расчета:

Последовательность расчета зависит от структуры электрической схемы генератора, которая состоит полностью или частично из следующих элементов: источник постоянного (переменного) напряжения, автогенератор, выпрямитель, разрядная цепь, высоковольтный трансформатор, нагрузка (рис.2.14).

· расчет преобразователя напряжения (рис. 2.15, а);

· расчет собственно генератора импульсов (рис. 2.16).

2.14. Полная структурная схема генератора импульсов: 1 – источник напряжения; 2 – автогенератор; 3 – выпрямитель; 4 – сглаживающий фильтр; 5 – разрядная цепь с высоковольтным трансформатором; 6 – нагрузка.

Расчет преобразователя (рис. 2.15 а). Напряжение питания U n =12В постоянного тока. Выбираем выходное напряжение преобразователя U 0 = 300В при токе нагрузки J 0 = 0,001 А, выходная мощность P 0 =0,3 Вт, частота f 0 =400Гц.

Выходное напряжение преобразователя выбираем из условий повышения стабильности частоты генератора и для получения хорошей линейности выходных импульсов напряжения, т. е. U n >>U вкл.тир, обычно U n =2U вкл.тир.

Частота выходного напряжения задается из условий оптимальной работоспособности задающего генератора преобразователя напряжения.

Величины Р 0 и U 0 позволяют использовать в схеме генератора динистор VS серии KY102.

В качестве транзистора VT используем МП26Б, для которого предельные режимы следующие: U кбм = 70В, I КМ = 0,4А, I бм = 0,015А, U кбм = 1В.

Сердечник трансформатора предлагаем выполненным из электротехнической стали. Принимаем В М = 0,7Тл, η = 0,75, 25с.

Проверяем пригодность выполняемого трансформатора для работы в схеме преобразователя по условиям:

U кбм ≥2,5U n ; I км ≥1,2I кн; I бм ≥1,2I бн. (2.77)

Ток коллектора транзистора

Ток коллектора максимальный:

Согласно выходным коллекторным характеристикам транзистора МП26Б для данного коллекторного тока β ст =30, поэтому ток насыщения базы

А.

Ток базы:

I бм =1,2·0,003=0,0036А.

Следовательно, транзистор МП26Б по условию (2.78) пригоден для проектируемой схемы.

Сопротивление резисторов в цепи делителя напряжения:

Ом,; (2.79)

Ом.

Принимаем ближайшие стандартные значения сопротивлений резисторов R 1 =13000 Ом, R 2 =110 Ом.

Резистором R в цепи базы транзистора регулируют выходную мощность генератора, его сопротивление принимают 0,5…1 кОм.

Сечение сердечника трансформатора ТV1:

Рис 2.15. Принципиальная электрическая схема генератора импульсов: а – преобразователь;

б – генератор импульсов

Выбираем сердечник Ш8×8, для которого S c =0,52·10 -4 м2 .

Количество витков в обмотках трансформатора TV1:

Вит.; (2.81)

вит.; (2.82)

вит. (2.83)

Емкость конденсатора фильтра VC1:

Диаметр проводов обмоток трансформатора TV1:

Выбираем стандартные диаметры проводов d 1 =0,2 мм, d 2 = мм, d 3 =0,12 мм.

С учетом толщины эмаль изоляции d 1 =0,23 мм, d 2 = 0,08мм, d 3 =0,145 мм.

Рис. 2.16. Расчетная схема генератора импульсов

Расчет генераторов импульсов (рис. 2.16)

Принимаем напряжение на входе генератора равным напряжению на вы­ходе преобразователя U 0 = 300 В. Частота импульсов f =1…2 Гц. Амплитуда на­пряжения импульса не более 10 кВ. Количество электричества в импульсе не более 0,003 Кл. Длительность импульса до 0,1 с.

Выбираем диод VD типа Д226Б (U обр = 400 В, I пр = 0,3 А, U пр = 1 В) и тири­стор типа КН102И (U вкл =150 В, I пр т =0,2 А, U пр =1,5 В, I вкл =0,005 А, I выкл = 0,015 А, τ вкл = 0,5·10 -6 с τ выкл = 40·10 -6 с).

Прямое сопротивление постоянному току диода R д.пр = 3,3 Ом и тиристора R т.пр = 7,5 Ом.

Период повторения импульсов для заданного диапазона частот:

. (2.86)

Сопротивление зарядной цепи R 3 должно быть таким, чтобы

Ом. (2.88)

Тогда R 3 =R 1 +R д.пр =20·10 3 +3,3=20003,3 Ом.

Ток заряда:

А. (2.89)

Резистор R 2 ограничивает ток разряда до безопасной величины. Его сопротивление:

Ом, (2.90)

где U p – напряжение на зарядном конденсаторе VC2 в начале разряда, его величина равна U выкл. При этом должно соблюдаться условие R 1 >>R 2 (20·10 3 >>750).

Сопротивление разрядной цепи:

R p =R 2 R т. пр =750+7,5=757,5 Ом.

Условия устойчивого включения (2.91, 2.92) выполняются.

, , (2.91)

, . (2.92)

Емкость конденсатора VC2:

. (2.93)

Емкость VC2 для частоты f=1 Гц:

Ф

И для частоты 2 Гц:

С 2 =36·10 -6 Ф.

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2

, (2.94)

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2:

, (2.95)

Энергия импульса:

Дж. (2.96)

Максимальное количество электричества в импульсе:

q м =I p τ p =I p R p C 2 =0,064·757,5·72·10 -6 =0,003 Кл (2.97)

не превышает заданное значение.

Рассчитаем параметры выходного трансформатора TV2.

Расчетная мощность трансформатора:

Вт, (2.98)

где η т = 0,7…0,8 – КПД маломощного трансформатора.

Площадь сечения сердечника трансформатора:

Количество витков каждой обмотки трансформатора, приходящееся на

вит/В. (2.100)

Количество витков в обмотках трансформатора TV2:

W 4 =150 N=150·16,7=2505 вит.; (2.101)

W 5 =10000·16,7=167·10 3 вит.

Диаметр проводов в обмотках (2.85):

мм;

мм.

Выбираем стандартные диаметры проводов с эмалированной изоляцией d 4 =0,2 мм, d 5 =0,04 мм.

Пример. Определить напряжение и токи в схеме рис. 2.16.

Дано: U с = 300 В переменного тока 400 Гц, С = 36·10 -6 Ф, R д.пр = 10 Ом, R т.пр =2,3 Ом, L w =50 мГн, R 1 =20 кОм, R 2 =750 Ом.

Напряжение на конденсаторе в момент заряда:

, (2.102)

где τ ст = 2·10 4 ·36·10 -6 =0,72 с.

Полное сопротивление цепи заряда емкости VC2:

Ток заряда равен:

А.

Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления и вычислительной технике.

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы – мультивибраторы, блокинг-генераторы. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.

В ждущем режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные процессы, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего устанавливается устойчивое исходное состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора. Основными требованиями к ждущим генераторам является стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяются, прежде всего, для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов, для деления частоты повторения импульсов и других целей.

В автоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. В этом режиме без какого-либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора. Основным требованием, предъявляемым к таким генераторам, является высокая стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменения питающих напряжений, смены и старения элементов, воздействия других факторов (температуры, влажности, наводок и т. п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.

В режиме синхронизации или деления частоты частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора. Частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов релаксационного типа называется мультивибратором.

Схема мультивибратора может быть реализована как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении.

Мультивибратор на дискретных элементах. В таком мультивибраторе используют два усилительных каскада, охваченных обратной связью. Одна ветвь обратной связи образована конденсатором и резистором, а другая – и (рис. 6.16).

состояний и обеспечивает генерирование периодически повторяющихся импульсов, форма которых близка прямоугольной.

В мультивибраторе оба транзистора могут находиться в активном режиме очень короткое время, так как в результате действия положительной обратной связи схема скачком переходит в состояние, когда один транзистор открыт, а другой закрыт.

Примем для определенности, что в момент времени транзисторVT 1 открыт и насыщен, а транзисторVT 2 закрыт (рис. 6.17). Конденсаторза счет тока, протекавшего в схеме в предшествующие моменты времени, заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что к базе транзистораVT 2 относительно эмиттера приложено отрицательное напряжение иVT 2 закрыт. Поскольку один транзистор закрыт, а другой открыт и насыщен, в схеме не выполняется условие самовозбуждения, так как коэффициенты усиления каскадов
.

В таком состоянии в схеме протекают два процесса. Один процесс связан с протеканием тока перезаряда конденсатора от источника питания по цепи резистор – открытый транзистор VT 1 .Второй процесс обусловлен зарядом конденсатора через резистор
и базовую цепь транзистораVT 1 , в результате напряжение на коллекторе транзистора VT 2 увеличивается (рис. 6.17). Поскольку резистор, включаемый в базовую цепь транзистора, имеет большее сопротивление, чем коллекторный резистор (
), время заряда конденсатора меньше времени перезаряда конденсатора.

	Процесс заряда конденсатора носит экспоненциальный характер с постоянной времени . Следовательно, время заряда конденсатора , а также время нарастания коллекторного напряжения , т. е. длительность фронта импульса . За это время конденсатор заряжается донапряжения .В связи с перезарядом конденсатора напряжение на базе транзистораVT 2 нарастает, но пока транзисторVT 2 закрыт, а транзистор VT 1

открыт, поскольку его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания через резистор .

Базовое
и коллекторное
напряжения транзистораVT 1 при этом не изменяются. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.

В момент времени по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора VT 2 достигает напряжения открывания и транзистор VT 2 переходит в активный режим работы, для которого
. При открывании VT 2 увеличивается коллекторный ток и соответственно уменьшается
. Уменьшение
вызывает снижение базового тока транзистораVT 1 , что, в свою очередь, приводит к уменьшению коллекторного тока . Снижение токасопровождается увеличением базового тока транзистораVT 2 , поскольку ток, протекающий через резистор
, ответвляется в базу транзистораVT 2 и
.

После того как транзистор VT 1 выйдет из режима насыщения, в схеме выполняется условие самовозбуждения:
. При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается, когда транзистор VT 2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT 1 – в режим отсечки.

В дальнейшем практически разряженный конденсатор (
) заряжается от источника питания по цепи резистор
– базовая цепь открытого транзистора VT 2 по экспоненциальному закону с постоянной времени
. В результате в течение времени
происходит увеличение напряжения на конденсаторе до
и формируется фронт коллекторного напряжения
транзистораVT 1 .

Закрытое состояние транзистора VT 1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения конденсатор через открытый транзисторVT 2 подключен к промежутку база – эмиттер транзистора VT 1 , чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. С течением времени запирающее напряжение на базе изменяется, поскольку конденсатор перезаряжается по цепи резистор – открытый транзистор VT 2 . В момент времени напряжение на базе транзистора VT 1 достигает значения
и он открывается.

В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор VT 1 переходит в режим насыщения, а VT 2 закрывается. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения
, а конденсатор практически разряжен(
). Это соответствует моменту времени , с которого началось рассмотрение процессов в схеме. На этом полный цикл работы мультивибратора заканчивается, так как в дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Как следует из временной диаграммы (рис. 6.17), в мультивибраторе периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае, когда нагрузка подключается к коллектору транзистора VT 2 , длительность импульсов определяется процессом перезаряда конденсатора , а длительность паузы – процессом перезаряда конденсатора .

Цепь перезаряда конденсатора содержит один реактивный элемент, поэтому , где
;
;.

Таким образом, .

Процесс перезаряда заканчивается в момент времени, когда
. Следовательно, длительность положительного импульса коллекторного напряжения транзистораVT 2 определяется формулой:

.

В том случае, когда мультивибратор выполнен на германиевых транзисторах, формула упрощается , поскольку
.

Процесс перезаряда конденсатора , который определяет длительность паузымежду импульсами коллекторного напряжения транзистораVT 2 , протекает в такой же эквивалентной схеме и при тех же условиях, что и процесс перезаряда конденсатора , только с другой постоянной времени:
. Поэтому формула для расчета аналогична формуле для расчета:

.

Обычно в мультивибраторе длительность импульса и длительность паузы регулируют, изменяя сопротивление резисторов и.

Длительности фронтов зависят от времени открывания транзисторов и определяются временем заряда конденсатора через коллекторный резистор того же плеча
. При расчете мультивибратора необходимо выполнить условие насыщения открытого транзистора
. Для транзистораVT 2 без учета тока
перезаряда конденсатораток
. Следовательно, для транзистораVT 1 условие насыщения
, а для транзистораVT 2 -
.

Частота генерируемых импульсов
. Основным препятствием увеличения частоты генерирования импульсов является большая длительность фронта импульсов. Снижение длительности фронта импульса за счет уменьшения сопротивлений коллекторных резисторов может привести к невыполнению условия насыщения.

При большой степени насыщения в рассмотренной схеме мультивибратора возможны случаи, когда после включении оба транзистора насыщены и колебания отсутствуют. Это соответствует жесткому режиму самовозбуждения. Для предотвращения этого следует выбирать режим работы открытого транзистора вблизи границы насыщения, чтобы сохранить достаточный коэффициент усиления в цепи обратной связи, а также использовать специальные схемы мультивибраторов.

Если длительность импульса равна длительности, что обычно достигается при , то такой мультивибратор называетсясимметричным.

Длительность фронта генерируемых мультивибратором импульсов можно существенно уменьшить, если дополнительно ввести в схему диоды (рис. 6.18).

Когда, например, закрывается транзистор VT 2 и начинает увеличиваться коллекторное напряжение, то к диоду VD 2 прикладывается обратное напряжение, он закрывается и тем самым отключает заряжающийся конденсатор от коллектора транзистораVT 2 . В результате ток заряда конденсатора протекает уже не через резистор, а через резистор . Следовательно, длительность фронта импульса коллекторного напряжения
теперь определяется только процессом закрывания транзистора VT 2 . Аналогично работает и диод VD 1 при заряде конденсатора .

Хотя в такой схеме длительность фронта существенно уменьшена, время заряда конденсаторов, которое ограничивает скважность импульсов, практически не изменяется. Постоянные времени
и
не могут быть уменьшены за счет снижения. Резисторв открытом состоянии транзистора через открытый диод подключается параллельно резистору .В результате при
возрастает потребляемая схемой мощность.

Мультивибратор на интегральных схемах (рис. 6.19).Простейшая схема содержит два инвертирующих логических элемента ЛЭ1 и ЛЭ2 , две времязадающие цепочки
и
и диодыVD 1 , VD 2 .

Положим, что в момент времени (рис. 6.20) напряжения , а . Если ток через конденсатор не протекает, то напряжение на нем , а на входе элемента ЛЭ1 . В схеме протекает ток заряда конденсатораотЛЭ1 через резистор . Напряжение на входе ЛЭ2 по мере заряда конденсатора уменьшается, но пока ,ЛЭ2 находится в состоянии нуля на выходе.

В момент времени
и на выходеЛЭ2
. В результате на вход ЛЭ1 через конденсатор , который заряжен до напряжения
, подается напряжение иЛЭ1 переходит в состояние нуля
. Так как напряжение на выходе ЛЭ1 уменьшилось, то конденсатор начинает разряжаться. В результате на резисторе возникнет напряжение отрицательной полярности, откроется диод VD 2 и конденсатор быстро разрядится до напряжения
. После окончания этого процесса напряжение на входе ЛЭ2
.

Одновременно в схеме протекает процесс заряда конденсатора и с течением времени напряжение на входе ЛЭ1 уменьшается. Когда в момент времени напряжение
,
,
. Процессы начинают повторяться. Опять происходит заряд конденсатора , а конденсатор разряжается через открытый диод VD 1 . Поскольку сопротивление открытого диода намного меньше сопротивления резисторов , и, разряд конденсаторов и происходит быстрее, чем их заряд.

Напряжение на входе ЛЭ1 в интервале времени
определяется процессом заряда конденсатора :, где
;
– выходное сопротивление логического элемента в состоянии единицы;
;
, откуда
. Когда
, заканчивается формирование импульса на выходе элемента ЛЭ2 , следовательно, длительность импульса

.

Длительность паузы между импульсами (интервал времени от до ) определяется процессом заряда конденсатора , поэтому

.

Длительность фронта генерируемых импульсов определяется временем переключения логических элементов.

На временной диаграмме (рис. 6.20) амплитуда выходных импульсов не меняется:
, поскольку при ее построении не учитывалось выходное сопротивление логического элемента. С учетом конечности этого выходного сопротивления амплитуда импульсов будет изменяться.

Недостатком рассмотренной простейшей схемы мультивибратора на логических элементах является жесткий режим самовозбуждения и связанное с этим возможное отсутствие колебательного режима работы. Этот недостаток схемы можно исключить, если дополнительно ввести логический элемент И (рис. 6.21).

Когда мультивибратор генерирует импульсы, то на выходе ЛЭ3
, поскольку
. Однако вследствие жесткого режима самовозбуждения возможен такой случай, когда при включении напряжения источника питания из-за малой скорости нарастания напряжения ток заряда конденсаторов и оказывается небольшим. При этом падение напряжения на резисторах и может быть меньше порогового
и оба элемента(ЛЭ1 и ЛЭ2 ) окажутся в состоянии, когда напряжения на их выходах
. При таком сочетании входных сигналов на выходе элемента ЛЭ3 возникнет напряжение
, которое через резистор подается на вход элемента ЛЭ2 . Так как
, то ЛЭ2 переводится в состояние нуля и схема начинает генерировать импульсы.

Для построения генераторов прямоугольных импульсов наряду с дискретными элементами и ЛЭ в интегральном исполнении используются операционные усилители.

Мультивибратор на операционном усилителе имеет две цепи обратной связи (рис. 6.22). Цепь обратной связи неинвертирующего входа образована двумя резисторами ( и ) и, следовательно, . Обратная связь по инвертирующему входу образована цепочкой ,

поэтому напряжение на инвертирующем входе
зависит не только от напряжения на выходе усилителя, но и является функцией времени, поскольку
.

Процессы, протекающие в мультивибраторе, рассмотрим, начиная с момента времени (рис. 6.23), когда напряжение на выходе положительное ( ). При этом конденсатор в результате процессов, протекавших в предшествующие моменты времени, заряжен таким образом, что к инвертирующему входу приложено отрицательное напряжение.

На неинвертирующем входе действует положительное напряжение
. Напряжение
остается постоянным, а напряжение на инвертирующем входе
с течением времени увеличивается, стремясь к уровню
, поскольку в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .

Однако пока
, состояние усилителя определяет напряжение на неинвертирующем входе и на выходе сохраняется уровень
.

В момент времени напряжения на входах операционного усилителя становятся равными:
. Дальнейшее незначительное увеличение
приводит к тому, что дифференциальное (разностное) напряжение на инвертирующем входе усилителя
оказывается положительным, поэтому напряжение на выходе резко уменьшается и становится отрицательным
. Так как напряжение на выходе операционного усилителя изменило полярность, то конденсатор в дальнейшем перезаряжается и напряжение на нем, а также напряжение на инвертирующем входе стремятся к
.

В момент времени опять
и затем дифференциальное (разностное) напряжение на входе усилителя
становится отрицательным. Так как оно действует на инвертирующем входе, то напряжение на выходе усилителя скачком опять принимает значение
. Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменяется
. Конденсатор , который к моменту времени зарядился до отрицательного напряжения, опять перезаряжается и напряжение на инвертирующем входе возрастает, стремясь к
. Так как при этом
, то напряжение на выходе усилителя сохраняется постоянным. Как следует из временной диаграммы (рис. 6.23), в момент времени полный цикл работы схемы заканчивается и в дальнейшем процессы в ней повторяются. Таким образом, на выходе схемы генерируются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых при
равна
. Длительность импульсов (интервал времени
) определяется временем перезаряда конденсатора по экспоненциальному закону от
до
с постоянной времени
, где
– выходное сопротивление операционного усилителя. Поскольку во время паузы (интервал
) перезаряд конденсатора происходит в точно таких же условиях, что и при формировании импульсов, то
. Следовательно, схема работает как симметричный мультивибратор.

происходит с постоянной времени
. При отрицательном напряжении на выходе (
) открыт диодVD 2 и постоянная времени перезаряда конденсатора , определяющая длительность паузы,
.

Ждущий мультивибратор или одновибратор имеет одно устойчивое состояние и обеспечивает генерирование прямоугольных импульсов при подаче на вход схемы коротких запускающих импульсов.

Одновибратор на дискретных элементах состоит из двух усилительных каскадов, охваченных положительной обратной связью (рис. 6.25).

	Одна ветвь обратной связи, как и в мультивибраторе, образована конденсатором и резистором ; другая – резистором , включенным в общую цепь эмиттеров обоих транзисторов. Благодаря такому включению резистора напряжение база – эмиттер

транзистора VT 1 зависит от коллекторного тока транзистора VT 2 . Такую схему называют одновибратором с эмиттерной связью. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы в исходном состоянии в отсутствие входных импульсов транзистор VT 2 был открыт и насыщен, а VT 1 находился в режиме отсечки. Такое состояние схемы, являющееся устойчивым, обеспечивается при выполнении условий:
.

Положим, что одновибратор находится в устойчивом состоянии. Тогда токи и напряжения в схеме будут постоянными. База транзистора VT 2 через резистор подключена к положительному полюсу источника питания, что в принципе обеспечивает открытое состояние транзистора. Для расчета коллекторного
и базового токов имеем систему уравнений

.

Определив отсюда токи
и , условие насыщения запишем в виде:

.

Если учесть, что
и
, тополученное выражение существенно упрощается:
.

На резисторе за счет протекания токов ,
создается падение напряжения
. В результате разность потенциалов между базой и эмиттером транзистораVT 1 определяется выражением:

Если в схеме выполняется условие
, то транзисторVT 1 закрыт. Конденсатор при этом заряжен до напряжения . Полярность напряжения на конденсаторе указана на рис. 6.25.

Положим, что в момент времени (рис. 6.26) на вход схемы поступает импульс , амплитуда которого достаточна для открывания транзистораVT 1 . В результате в схеме начинается процесс открывания транзистора VT 1 сопровождающийся увеличением коллекторного тока и уменьшением коллекторного напряжения .

Когда транзистор VT 1 открывается, конденсатор оказывается подключенным к области база – эмиттер транзистора VT 2 таким образом, что потенциал базы становится отрицательным и транзистор VT 2 переходит в режим отсечки. Процесс переключения схемы носит лавинообразный характер, поскольку в это время в схеме выполняется условие самовозбуждения. Время переключения схемы определяется длительностью процессов включения транзистора VT 1 и выключения транзистора VT 2 и составляет доли микросекунды.

При закрывании транзистора VT 2 через резистор перестают протекать коллекторный и базовый токи VT 2 . В результате транзистор VT 1 остается в открытом состоянии даже после окончания входного импульса. В это время на резисторе падает напряжение
.

Состояние схемы, когда транзистор VT 1 открыт, а VT 2 закрыт, является квазиустойчивым. Конденсатор через резистор , открытый транзистор VT 1 и резистор оказывается подключенным к источнику питания таким образом, что напряжение на нем имеет встречную полярность. В схеме протекает ток перезаряда конденсатора , и напряжение на нем, а следовательно, и на базе транзистора VT 2 стремится к положительному уровню.

Изменение напряжения
носит экспоненциальный характер:, где
. Начальное напряжение на базе транзистораVT 2 определяется напряжением, до которого первоначально заряжен конденсатор и остаточным напряжением на открытом транзисторе:

Предельное значение напряжения, к которому стремится напряжение на базе транзистора VT 2 , .

Здесь учтено, что через резистор протекает не только ток перезаряда конденсатора , но и ток открытого транзистораVT 1 . Следовательно, .

В момент времени напряжение
достигает напряжения отпирания
и транзисторVT 2 открывается. Появившийся коллекторный ток создает дополнительное падение напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению напряжения
. Это вызывает уменьшение базового и коллекторноготоков и соответствующее увеличение напряжения
. Положительное приращение коллекторного напряжения транзистораVT 1 через конденсатор передается в цепь базы транзистора VT 2 и способствует еще большему нарастанию его коллекторного тока . В схеме опять развивается регенеративный процесс, оканчивающийся тем, что транзисторVT 1 закрывается, а транзистор VT 2 переходит в режим насыщения. На этом процесс генерирования импульса заканчивается. Длительность импульса определяется, если положить
: .

После окончания импульса в схеме протекает процесс заряда конденсатора по цепи, состоящей из резисторов
, и эмиттерной цепи открытого транзистора VT 2 . В начальный момент базовый ток транзистораVT 2 равен сумме токов заряда конденсатора : тока , ограниченного сопротивлением резистора
, и тока, протекающего через резистор . По мере заряда конденсатора ток уменьшается и соответственно снижается ток базы транзистораVT 2 , стремясь к стационарному значению, определяемому резистором . В результате в момент открывания транзистора VT 2 падение напряжения на резисторе оказывается больше стационарного значения, что приводит к увеличению отрицательного напряжения на базе транзистора VT 1 . Когда напряжение на конденсаторе достигает значения
схема переходит в исходное состояние. Длительность процесса дозаряда конденсатора , который называется этапом восстановления, определяется соотношением .

Минимальный период повторения импульсов одновибратора
, а максимальная частота
. Если интервал между входными импульсами окажется меньше, то конденсатор не успеет дозарядиться и это приведет к изменению длительности генерируемых импульсов.

Амплитуда генерируемых импульсов определяется разностью напряжений на коллекторе транзистора VT 2 в закрытом и открытом состояниях .

Одновибратор можно реализовать на базе мультивибратора, если одну ветвь обратной связи сделать не емкостной, а резисторной и ввести источник напряжения
(рис. 6.27). Такая схема называется одновибратором с коллекторно-базовыми связями.

К базе транзистора VT 2 приложено отрицательное напряжение и он закрыт. Конденсатор заряжен до напряжения
. В случае германиевых транзисторов
.

Конденсатор , исполняющий роль форсирующего конденсатора, заряжен до напряжения
. Это состояние схемы является устойчивым.

При подаче на базу транзистора VT 2 отпирающего импульса (рис. 6.28) в схеме начинают протекать процессы открывания транзистора VT 2 и закрывания транзистора VT 1 .

При этом выполняется условие самовозбуждения, развивается регенеративный процесс и схема переходит в квазиустойчивое состояние. Транзистор VT 1 оказывается в закрытом состоянии, поскольку за счет заряда на конденсаторе к его базе прикладывается отрицательное напряжение. Транзистор VT 2 остается в открытом состоянии и после окончания входного сигнала, так как потенциал коллектора транзистора VT 1 при его закрывании увеличился, и соответственно возросло напряжение на базе VT 2 .

При переключении схемы формируется фронт выходного импульса, который обычно снимается с коллектора транзистора VT 1 . В дальнейшем в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .Напряжение на нем
, а следовательно, и напряжение на базе транзистора VT 1 изменяется по экспоненциальному закону
,где
.

Когда в момент времени напряжение на базе достигает значения
, транзистор VT 1 открывается, напряжение на его коллекторе
уменьшается и закрывается транзистор VT 2 . При этом формируется срез выходного импульса. Длительность импульса получим, если положить
:

.

Так как
, то . Длительность среза
.

В дальнейшем в схеме протекает ток заряда конденсатора через резистор
и базовую цепь открытого транзистораVT 1 . Длительность этого процесса, который определяет время восстановления схемы,
.

Амплитуда выходных импульсов в такой схеме одновибратора практически равна напряжению источника питания.

Одновибратор на логических элементах . Для реализации одновибратора на логических элементах обычно используют элементы И-НЕ. Структурная схема такого одновибратора включает два элемента (ЛЭ1 и ЛЭ2 ) и времязадающую цепочку
(рис. 6.29). Входы ЛЭ2 объединены, и он работает как инвертор. Выход ЛЭ2 соединен с одним из входов ЛЭ1 , а на другой его вход подается управляющий сигнал.

Чтобы схема находилась в устойчивом состоянии, на управляющий вход ЛЭ1 необходимо подать напряжение (рис. 6.30). При этом условииЛЭ2 находится в состоянии «1», а ЛЭ1 – в состоянии «0». Любая другая комбинация состояний элементов не является устойчивой. В таком состоянии схемы на резисторе имеется некоторое падение напряжения, которое обусловлено током ЛЭ2 , протекающим в

его входной цепи. Схема генерирует прямоугольный импульс при кратковременном уменьшении (момент времени ) входного напряжения
. Через интервал времени, равный
(не показан на рис. 6.29), на выходеЛЭ1 напряжение увеличится. Этот скачок напряжения через конденсатор передается на вход ЛЭ2 . Элемент ЛЭ2 переключается в состояние «0». Таким образом, на входе 1 ЛЭ1 через интервал времени
начинает действовать напряжение
и этот элемент останется в состоянии единицы, если даже по истечении времени
напряжение
опять станет равно логической «1». Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы длительность входного импульса
.

По мере заряда конденсатора выходной ток ЛЭ1 уменьшается. Соответственно уменьшается падение напряжения на :
. Одновременно несколько увеличивается напряжение
, стремясь к напряжению
, которое при переключенииЛЭ1 в состояние «1» было меньше
за счет падения напряжения на выходном сопротивлении ЛЭ1 . Это состояние схемы является временно устойчивым.

В момент времени напряжение
достигает порогового
и элементЛЭ2 переключается в состояние «1». На вход 1 ЛЭ1 подается сигнал
и он переключается в состояние лог. «0». При этом конденсатор , который в интервале времени от до зарядился, начинает разряжаться через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD 1 . По истечении времени , определяемого процессом разряда конденсатора , схема переходит в исходное состояние.

Таким образом, на выходе ЛЭ2 генерируется импульс прямоугольной формы. Длительность его, зависящая от времени уменьшения
до
, определяется соотношением
, где
– выходное сопротивлениеЛЭ1 в состоянии «1». Время восстановления схемы , где
– выходное сопротивление ЛЭ1 в состоянии «0»; – внутреннее сопротивление диода в открытом состоянии.

и напряжение на инвертирующем входе невелико:
, где
падение напряжения на диоде в открытом состоянии. На неинвертирующем входе напряжение также постоянное:
, и так как
, то на выходе поддерживается неизменное напряжение
.

При подаче в момент времени входного импульса положительной полярности амплитудой
напряжение на неинвертирующем входе становится больше напряжения на инвертирующем входе и выходное напряжение скачком становится равным
. При этом также скачком увеличивается напряжение на неинвертирующем входе до
. Одновременно диод VD закрывается, конденсатор начинает заряжаться и на инвертирующем входе растет положительное напряжение (рис. 6.32). Пока
на выходе сохраняется напряжение
. В момент времени при
происходит изменение полярности выходного напряжения и напряжение на неинвертирующем входе принимает исходное значение, а напряжение начинает уменьшаться по мере разряда конденсатора .

Когда достигает значения , открывается диод VD , и на этом процесс изменения напряжения на инвертирующем входе прекращается. Схема оказывается в устойчивом состоянии. Длительность импульса, определяемая экспоненциальным процессом заряда конденсатора с постоянной времени от напряжения до , равна .

Так как
, то
.

Время восстановления схемы определяется длительностью процесса разряда конденсатора от
до
и с учетом принятых допущений
.

Генераторы на операционных усилителях обеспечивают формирование импульсов амплитудой до десятков вольт; длительность фронтов зависит от полосы частот операционного усилителя и может составлять доли микросекунды.

Блокинг-генератором называется генератор импульсов релаксационного типа в виде однокаскадного усилителя с положительной обратной связью, создаваемой с помощью трансформатора. Блокинг-генератор может работать в ждущем и автоколебательном режимах.

Ждущий режим работы блокинг -генератора. При работе в ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние и генерирует импульсы прямоугольной формы, когда на вход поступают запускающие импульсы. Устойчивое состояние блокинг-генератора на германиевом транзисторе осуществляется путем включения источника смещения в базовую цепь. При использовании кремниевого транзистора источник смещения не требуется, поскольку транзистор при нулевом напряжении на базе закрыт (рис. 6.33).

	Положительная обратная связь в схеме проявляется в том, что при нарастании тока в первичной (коллекторной) обмотке трансформатора, т. е. коллекторного тока транзистора ( ), во вторичной (базовой) обмотке индуцируется напряжение такой полярности, что потенциал базы увеличивается. И, наоборот, при

базовое напряжение уменьшается. Такая связь реализуется путем соответствующего подключения начала обмоток трансформатора (на рис. 6.33, показаны точками).

В большинстве случаев трансформатор имеет третью (нагрузочную) обмотку, к которой подключается нагрузка .

Напряжения на обмотках трансформатора и токи, протекающие в них, связаны между собой следующим образом:
,
,
,
где
,
– коэффициенты трансформации;
– число витков первичной, вторичной и нагрузочной обмоток соответственно.

Длительность процесса включения транзистора настолько мала, что за это время ток намагничивания практически не нарастает (
). Поэтому уравнение токов при анализе переходного процесса включения транзистора упрощается:
.

При подаче в момент времени на базу транзистора отпирающего импульса(рис. 6.34) происходит увеличение тока , транзистор переходит в активный режим и появляется коллекторный ток . Приращение коллекторного тока на величину приводит к увеличению напряжения на первичной обмотке трансформатора , последующему росту приведенного

тока базы
и действительного тока, протекающего в цепи базы транзистора,
.

Таким образом, первоначальное изменение тока базы
в результате процессов, протекающих в схеме, приводит к дальнейшему изменению этого тока
, и если
, то процесс изменения токов и напряжений носит лавинообразный характер. Следовательно,условие самовозбуждения блокинг-генератора:
.

В отсутствие нагрузки (
) это условие упрощается:
. Так как
, то условие самовозбуждения в блокинг-генераторе выполняется довольно легко.

Процесс открывания транзистора, сопровождающийся формированием фронта импульса, заканчивается, когда он переходит в режим насыщения. При этом перестает выполняться условие самовозбуждения и в дальнейшем формируется вершина импульса. Так как транзистор насыщен:
, то к первичной обмотке трансформатора оказывается приложенным напряжение
и приведенные базовый ток
, а также ток нагрузки
, оказываются постоянными. Ток намагничивания при формировании вершины импульса может быть определен из уравнения
, откуда при нулевых начальных условиях получим
.

Таким образом, ток намагничивания в блокинг-генераторе, когда транзистор насыщен, нарастает во времени по линейному закону. В соответствии с уравнением токов также по линейному закону увеличивается коллекторный ток транзистора
.

С течением времени степень насыщения транзистора уменьшается, так как базовый ток остается постоянным
, а коллекторный ток нарастает. В некоторый момент времени коллекторный ток увеличивается настолько, что транзистор переходит из режима насыщения в активный режим и опять начинает выполняться условие самовозбуждения блокинг-генератора. Очевидно, что длительность вершины импульса определяется временем, в течение которого транзистор находится в режиме насыщения. Границе режима насыщения соответствует условие
. Следовательно,
.

Отсюда получаем формулу для расчета длительности вершины импульса:

.

Ток намагничивания
во время формирования вершины импульса увеличивается и в момент окончания этого процесса, т. е. при
, достигает значения
.

Так как к первичной обмотке импульсного трансформатора при формировании вершины импульса приложено напряжение источника питания , то амплитуда импульса на нагрузке
.

При переходе транзистора в активный режим происходит уменьшение коллекторного тока
. Во вторичной обмотке индуцируется напряжение, приводящее к уменьшению напряжения и тока базы, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее снижение коллекторного тока. В схеме развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор переходит в режим отсечки и формируется срез импульса.

Протекающий лавинообразно процесс закрывания транзистора имеет столь малую длительность, что ток намагничивания за это время практически не изменяется и остается равным
. Следовательно, к моменту закрывания транзистора в индуктивности запасена энергия
. Эта энергия рассеивается только в нагрузке, так как коллекторная и базовая цепи закрытого транзистора оказываются разомкнутыми. Ток намагничивания при этом уменьшается по экспоненте:
, где
– постоянная времени. Протекающий через резистор ток создает обратный выброс напряжения на нем, амплитуда которого
, что также сопровождается всплеском напряжения на базе и коллекторе закрытого транзистора
. Воспользовавшись найденным ранее соотношением для
, получим:

,

.

Процесс рассеяния запасенной в импульсном трансформаторе энергии, определяющий время восстановления схемы , заканчивается через интервал времени
, после чего схема переходит в исходное состояние. Дополнительный всплеск коллекторного напряжения
может быть значительным. Поэтому в схеме блокинг-генератора принимаются меры к снижению величины
, для чего параллельно нагрузке или в первичную обмотку включают демпфирующую цепь, состоящую из диода VD 1 и резистора , сопротивление которого
(рис. 6.33). При формировании импульса диод закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности, и демпфирующая цепь не оказывает влияния на процессы в схеме. Когда при закрывании транзистора в первичной обмотке возникает всплеск напряжения, то к диоду прикладывается прямое напряжение, он открывается и ток протекает через резистор . Так как
, то всплеск коллекторного напряжения
и обратный выброс напряжения на существенно уменьшаются. Однако при этом возрастает время восстановления:
.

Не всегда последовательно с диодом включают резистор , и тогда амплитуда всплеска оказывается минимальной, но увеличивается его длительность.

импульсов. Процессы, протекающие в схеме, рассмотрим, начиная с момента времени , когда напряжение на конденсаторедостигает значения
и транзистор откроется (рис. 6.36).

Поскольку напряжение на вторичной (базовой) обмотке во время формирования вершины импульса остается постоянным
, то по мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается по экспоненциальному закону
, где
– сопротивление области база – эмиттер насыщенного транзистора;
– постоянная времени.

В соответствии с уравнением токов коллекторный ток транзистора определяется выражением
.

Из приведенных соотношений следует, что в автоколебательном блокинг-генераторе во время формирования вершины импульса изменяются и базовый и коллекторный токи. Как видно, базовый ток с течением времени уменьшается. Коллекторный ток в принципе может и нарастать, и уменьшаться. Все зависит от соотношения между первыми двумя слагаемыми последнего выражения. Но если даже коллекторный ток и уменьшается, то медленнее, чем базовый ток. Поэтому при уменьшении базового тока транзистора наступает момент времени , когда транзистор выходит из режима насыщения и процесс формирования вершины импульса заканчивается. Таким образом, длительность вершины импульса определяется соотношением
. Тогда можно записать уравнение токов для момента окончания формирования вершины импульса:

.

После некоторых преобразований имеем
. Полученное трансцендентное уравнение можно упростить при условии
. Воспользовавшись разложением в ряд экспоненты и ограничившись первыми двумя членами
, получим формулу для расчета длительности вершины импульса
, где
.

Во время формирования вершины импульса за счет протекания базового тока транзистора напряжение на конденсаторе изменяется и к моменту закрывания транзистора оно становится равным
. Подставив в это выражение значение
и проинтегрировав, получим:

.

При переходе транзистора в активный режим работы снова начинает выполняться условие самовозбуждения и в схеме протекает лавинообразный процесс его закрывания. Как и в ждущем блокинг-генераторе, после закрывания транзистора протекает процесс рассеяния запасенной в трансформаторе энергии, сопровождающийся появлением всплесков коллекторного и базового напряжений. После окончания этого процесса транзистор продолжает находиться в закрытом состоянии благодаря тому, что к базе прикладывается отрицательное напряжение заряженного конденсатора . Это напряжение не остается постоянным, поскольку в закрытом состоянии транзистора через конденсатор и резистор протекает ток перезаряда от источника питания . Поэтому по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора увеличивается по экспоненциальному закону
, где
.

Когда напряжение на базе достигает значения
, транзистор открывается и опять начинается процесс формирования импульса. Таким образом, длительность паузы, определяемая временем нахождения транзистора в закрытом состоянии, может быть рассчитана, если положить
. Тогда получим
.Для блокинг-генератора на германиевом транзисторе полученная формула упрощается, поскольку
.

Блокинг-генераторы имеют высокий коэффициент полезного действия, так как в паузе между импульсами ток от источника питания практически не потребляется. По сравнению с мультивибраторами и одновибраторами они позволяют получить большую скважность и меньшую длительность импульсов. Важным достоинством блокинг-генераторов является возможность получения импульсов, амплитуда которых больше напряжения источника питания. Для этого достаточно, чтобы коэффициент трансформации третьей (нагрузочной) обмотки
. В блокинг-генераторе при наличии нескольких нагрузочных обмоток можно осуществить гальваническую развязку между нагрузками и получать импульсы разной полярности.

Схема блокинг-генератора не реализуется в интегральном исполнении из-за наличия импульсного трансформатора.

Необычный режим работы транзистора.

Кажется, в наше просвещённое время транзистор изучен настолько, что ничего нового о нём узнать уже невозможно.
Тем не менее, недавно я обнаружил схему генератора, которая работает очень устойчиво и имеет хорошую нагрузочную способность, хотя, кажется, вовсе не должна этого делать.
Схема очень простая, изображена на рисунке 1:

Рис.1. Схема генератора.

Для запуска генератора необходимо кратковременно замкнуть коллектор и эмиттер транзистора через низкоомное сопротивление или подать на вход транзистора короткий запускающий импульс.
Модель генератора с запускающим импульсом представлена на рисунке 2.

Рис.2. Схема модели генератора.

Временные диаграммы работы генератора приведены на рисунке 3.

Синий - ток в базе транзистора.
Красный - напряжение на базе.

Запуск генератора осуществляется одиночным импульсом напряжения с генератора V2. Из диаграмм следует, что генерация начинается после окончания запускающего импульса тока в базе транзистора.
Во время прохождения запускающего импульса тока транзистор открылся, в индуктивности L1 стал протекать ток, и накопилась энергия в виде магнитного поля. После закрывания транзистора, как это описано во множестве учебников, энергия магнитного поля преобразуется в энергию электрического поля, которая накапливается в конденсаторе C1. Напряжение на конденсаторе возрастает до определённой величины, после чего начинается обратный процесс. Напряжение на конденсаторе начинает падать, а ток в катушке возрастать, изменив своё направление на противоположное.
Когда напряжение на конденсаторе падает до нуля, ток в катушке имеет максимальную величину, с этого момента напряжение на конденсаторе должно изменить свой знак и возрастать в другой полярности. Но этого не происходит, поскольку напряжение на коллекторе транзистора становится отрицательным и открывается его коллекторный переход, смещённый в прямом направлении. Через этот переход в базу транзистора начинает уходить ток, накопленный в катушке индуктивности. Из диаграмм видно, что напряжение на базе становится тоже отрицательным, эмиттерный переход закрывается и начинает играть роль коллектора - транзистор работает полностью в инверсном режиме, с низким коэффициентом усиления по току, но всё же в режиме транзистора. Часть тока ответвляется в эмиттер и возвращается в источник питания. Остальная часть тока в конечном итоге тоже возвращается в источник питания, проделав работу на преодоление ЭДС источника V3 и на потери в других элементах схемы.
После того, как напряжение на выводе катушки, соединённом с коллектором транзистора, станет равным нулю, транзистор переходит из инверсного режима в нормальный режим работы. Всё это время он остаётся открытым, в результате чего к катушке приложено напряжение источника питания в течение времени, достаточном для того, чтобы в ней накопилась энергия, необходимая для следующего периода колебаний.
Для лучшего понимания процессов, (если вдруг кому захочется) на рисунке 4 приведены диаграммы токов в транзисторе.

Рис. 4. Временные диаграммы токов в транзисторе.
Направления токов приведены к току в базе.
Синий - ток в базе транзистора.
Красный - ток в коллекторе.
Чёрный - ток в эмиттере

Из диаграмм токов видно, что ток эмиттера практически всё время равен току коллектора за исключением начальной стадии процесса.

Если кому-то кажется, что такой генератор не имеет практического применения, это не так. В схемотехнике по альтернативной энергетике такое решение встречается нередко. Попытки понять, что происходит в таких схемах, и привели к появлению этой статьи.
Внесу свою лепту тем, что предложу схему раскачки трансформатора Теслы с помощью этого генератора. От известной схемы качера она отличается тем, что оба вывода катушки Теслы остаются свободными. От других схем качеров, в которых оба конца катушки Теслы свободны, - тем, что отсутствует катушка обратной связи.
Модель такой схемы приведена на рисунке 5.

Рис.5. Схема модели качера.

На схеме L2 - индуктор, L3 - катушка Теслы.
На рисунке 6 приведены диаграммы напряжений на коллекторе транзистора и напряжения на катушке Теслы.

Рис. 6. Временные диаграммы напряжений.
Зелёный - напряжение на коллекторе.

Ну и, наконец, схема, которая встречается в Интернете. От схемы на рисунке 5 отличается наличием катушки обратной связи. Такая схема не нуждается в запускающем импульсе, а запускается сама. От схемы качера с катушкой обратной связи отличается тем, что частота импульсов накачки задаётся не резонансной частотой катушки Теслы, а частотой колебательного контура, образованного индуктивностью L1 и ёмкостью C1.
Модель самозапускающейся схемы приведена на рисунке 7.

Рис.7. Схема модели качера с автозапуском.

Временная диаграмма, иллюстрирующая процесс запуска, показана на рисунке 8.

Рис. 8. Временные диаграммы напряжений в схеме с автозапуском.
Зелёный - напряжение на коллекторе.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы.

Выше рассмотрены только общие принципы работы генератора. В реальной схеме многое зависит от величины опорного напряжения и резистора в цепи базы. Изменением этих параметров можно изменять величину обратного тока в коллекторе транзистора и получать форму сигналов на коллекторе от импульсов до синусоиды. В схеме с автозапуском на форму сигналов кроме того, влияют индуктивности катушек L2 и L4. Например, транзистор в схеме с принудительным пуском может работать вовсе без смещения в цепи базы.
Модель такой схемы приведена на рисунке 9.

Рис.9. Схема модели с отсутствием смещения в цепи базы.

На рисунке 10 приведена временная диаграмма нарастания напряжения на катушке Теслы.

Рис.10. Временная диаграммы напряжения на катушке Теслы.

Если запуск схемы производить закорачиванием коллектора и эмиттера резистором, то транзистор можно представить в виде двухполюсника.
Модель такой схемы представлена на рисунке 11.

Рис.11. Схема модели с представлением транзистора в виде двухполюсника.

На рисунке 12 приведены временные диаграммы запускающего импульса тока и напряжения на катушке Теслы.

Рис. 12. Временные диаграммы.
Синий - ток в резисторе R1/.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы.

Интересно, что в модели работает и с закороченными выводами эмиттера и базы, И даже работает с простым выпрямительным диодом. Однако только в том случае, если в модели заложено время восстановления диода больше, чем время его открывания. Это может служить ключём к пониманию механизма накачки колебательного контура. То есть, за время восстановления перехода в контур поступает энергии больше, чем расходуется при его открывании. Если реальные диоды обладают таким свойством, то построение генератора вполне возможно при соблюдении соотношений параметров схемы, допускающих режим генерации. Более того, такие схемы могут быть интересны с той точки зрения, что восстановление закрытого состояния у диодов может происходить практически мгновенно, что на практике используется для генерации импульсов наносекундных длительностей. Но в железе я этого не проверял, и пока здесь публиковать не буду. Это тема для другой статьи.

Все описанные здесь схемы имеют одну полезную особенность - несмотря на большие токи, протекающие в их цепях, потребление тока от источника питания может быть мизерным, потому, что бОльшая часть их возвращается обратно в источник питания.

* * *

Генератор коротких импульсов напряжения на диоде.

Схему, соответствующую модели, представленной на рисунке 11 в предыдущей статье, на практике удаётся запустить, и она продолжает работать даже при закороченных выводах эмиттера и базы транзистора, и токи в транзисторе при этом возрастают. Но с выпрямительным диодом вместо транзистора запустить не удаётся. Это, между прочим, свидетельствует о том, что транзистор с закороченными выводами эмиттера и базы - не то же самое, что простой диод.
Вероятно, внутреннее сопротивление базы играет какую-то роль в процессе. При инвертировании напряжения на коллекторном переходе, он открывается, ток течёт в базу, поскольку эмиттерный переход оказывается включённым в обратном направлении и принимает на себя функции коллекторного перехода. Из-за наличия сопротивления в цепи базы, на нём падает некоторое напряжение, транзистор оказывается включённым в инверсном режиме и через эмиттерный переход начинает протекать большая часть тока, определяемая коэффициентом усиления по току транзистора в инверсном режиме. Эмиттерный переход, вероятно, входит в насыщение. И, при восстановлении полярности напряжения на транзисторе, требуется некоторое дополнительное время на рассасывание зарядов в насыщенном переходе. То есть, условие, необходимое для работоспособности такой схемы - время восстановления больше времени открывания, выполняется.
Но это только непроверенная попытка объяснения неравнозначности транзистора с закороченными выводами эмиттера и базы обычному диоду.

Темой настоящей статьи является выделение из рассмотренных в предыдущей статье схем момента восстановления диода с включённой в его цепь индуктивностью, с целью резкого прерывания тока в индуктивности.
- А зачем нам это надо?
- Во-первых, это позволяет получить короткие высоковольтные импульсы напряжения. Иногда генераторы таких импульсов востребованы.
- Во-вторых, и это главное, - при включении в качестве индуктивности индуктора катушки Теслы, мы можем приблизиться к главному требованию, сформулированному самим Теслой - прерывать ток в индукторе во время его нарастания.
Сегодня интерес к работам Теслы возрастает, о чём свидетельствуют множество форумов в Интернете, посвящённых этой теме. Но практически только единицы экспериментаторов научились выполнять это требование. Ключи на транзисторах и разрядники в лучшем случае могут позволить получить резкий фронт импульса напряжения на индукторе. И совершенно не могут обеспечить резкое прерывание тока в индукторе.
В упрощённом виде схема представлена на рисунке 1:

Рис.1. Упрощённая схема генератора коротких импульсов напряжения.

К выходу генератора импульсов низкого уровня подключена индуктивность L1,второй конец которой соединён с катодом диффузионного диода D1. Анод диода включён между выводамиисточников напряжения V1 и V2.
Во время действия импульса низкого уровня, когда транзистор U2 открыт, а транзистор U1 закрыт, диод D1 открывается, через него начинает протекать ток, скорость нарастания которого определяется напряжением источника V2, индуктивностью L1 и сопротивлением R3 (сопротивление катушки L1, транзистора U2, диода D1 и падение напряжения на нём для упрощения не учитываем). Если длительность импульса достаточно велика, то прямой ток диода установится на уровне, определяемом напряжением V1 и сопротивлением R3.
По окончании импульса, транзистор U2 закрывается и открывается транзистор U1. Ток в индуктивности начинает убывать до нуля, а затем изменяет своё направление и начинает увеличиваться. Диод начинает восстанавливаться током индуктивности L1. Скорость изменения тока в этом случае определяется напряжением источника V1 и индуктивностью L1, а время нарастания тока и, соответственно, величина, до которой он нарастёт, - временем восстановления диода D1. При восстановлении, диод D1, если он диффузионный, очень быстро закрывается, и резко прерывает ток в индуктивности L1. В точке соединения диода и индуктивности возникает выброс напряжения высокой амплитуды.
Таким образом, выбором соотношения и величин напряжений источников V1 и V2 мы можем задавать ток открытого состояния диода, и, соответственно, ток его запирания, и скорости нарастания тока в катушке в режиме «накачки» диода и в режиме его восстановления.
Это важно уметь делать при включении в качестве индуктивности индуктора катушки Теслы. Дело в том, что индуктор оказывает сильное влияние на колебания напряжения в катушке Теслы, если скорость нарастания тока в нём равна или выше скорости нарастания напряжения в колебаниях катушки Теслы, и оказывает слабое влияние, если эта скорость ниже. Во избежание неопределённости, имеется ввиду скорость перехода тока или напряжения через ноль, то есть, максимальная. Кроме того, при расчётах её необходимо нормировать - делить на амплитуду измеряемого сигнала.
Для правильного управления необходимо на стадии «накачки» диода обеспечить скорость нарастания тока в индукторе, меньшую, чем скорость нарастания напряжения в катушке Теслы, а при восстановлении диода - скорость нарастания, равную или большую, чем скорость изменения напряжения в катушке Теслы.

Модель реальной схемы, использовавшейся в экспериментах, показана на рисунке 2.

Рис.2. Модель реальной схемы, использовавшейся в экспериментах.

Графики сигналов в модели приведены на рисунке 3.

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов генератора.
Синий - напряжение на выходе генератора.
Красный - напряжение на катушке индуктивности.
Зелёный - ток в диоде.

На диаграмме видно, что при низком уровне выходного сигнала ток в диоде и в катушке нарастает медленнее, чем при высоком уровне, и устанавливается на отметке 1,8 А. После изменения уровня выходного сигнала, ток в катушке уменьшается до нуля и с той же скоростью продолжает нарастать до величины 5,1 А. В этот момент происходит закрывание диода, и ток в катушке резко обрывается. На катушке наблюдается выброс напряжения до 1000В.
К сожалению, хорошей модели диода найти не удалось, поэтому некоторые несоответствия модели и реального объекта присутствуют, но в общем картина близка к реальности. В частности, реально измеренные выбросы на катушке, в зависимости от типа диода, имеют величину до 100 В. Максимальный выброс удалось получить на коллекторном переходе транзистора 2Т908А - порядка 250 В, при этом он не пробивается. Следует учесть также, что измерения производились осциллографом С1-65, который имеет полосу пропускания 50 МГц и время нарастания ПХ = 10 нс. Можно предположить, что на самом деле выбросы немного больше.

На рисунках 4- 9 приведены осциллограммы напряжений и токов, измеренные на диоде 2Д230И и на коллекторном переходе транзистора 2Т908А.

Из осциллограмм видно, что длительность импульсов по среднему уровню в обоих случаях около 50 нс. В диоде повторные импульсы сгруппированы более кучно и первый выброс превышает последующие более, чем в два раза. Другие диоды ведут себя аналогично. В транзисторе разница между амплитудами импульсов меньше и повторные импульсы идут реже. Это означает, что при использовании в качестве индуктивности индуктора, предпочтительнее использовать диоды, потому, что повторные импульсы транзистора будут сбивать амплитуду напряжения в раскачиваемой катушке. Сравнение осциллограмм тока показывает, что при одинаковых условиях открывания испытуемого диода и коллекторного перехода транзистора, процесс восстановления в транзисторе идёт дольше, что приводит к большему току в момент восстановления в транзисторе, чем в диоде, результатом чего и является большая амплитуда выброса напряжения.

Рис. 4. Осциллограмма выброса напряжения на катоде диода 2Д230И.
Установки: X =0,1 мкс/дел, Y = 20 В/дел.

Рис. 5. Осциллограмма выброса напряжения на катоде диода 2Д230И.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 20 В/дел.

Рис. 6. Осциллограмма тока в катушке L 1 для диода 2Д230И.

Рис. 7. Осциллограмма выброса напряжения на катушке для транзистора 2Т908А.
Установки: X =0,1 мкс/дел, Y = 50 В/дел.

Рис. 8 . Осциллограмма выброса напряжения на коллекторе транзистора 2Т908А.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 50 В/дел.

Рис. 9 . Осциллограмма тока в катушке для транзистора 2Т908А.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 1 А/дел.

Приведённые осциллограммы показывают, что модель неплохо отражает процессы, происходящие в реальных элементах, по крайней мере, на качественном уровне. Количественные отличия возникают из-за отсутствия точных моделей испытуемых элементов.

Рассмотрим теперь модель, приведённую на рисунке 10, в которой в качестве индуктивности использован индуктор катушки Теслы.

Рис.10. Модель схемы с индуктором и катушкой Теслы.

Временные диаграммы тока в индукторе L1 и напряжения на катушке Теслы L2 показаны на рисунке 11.

Рис. 11. Временные диаграммы модели

На рисунке 12 приведён фрагмент той же диаграммы, в котором хорошо видно, что изменение тока в индукторе со скоростью, в два раза меньшей, чем скорость изменения напряжения на катушке Теслы, практически не оказывает воздействия на колебания в катушке Теслы. Изменение тока со скоростью, равной скорости изменения напряжения на катушке Теслы, оказывает сильное воздействие на амплитуду колебаний.

Рис. 12. Фрагмент предыдущей временной диаграммы.
Зелёный - ток в индукторе L1.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы L2.

Для поддержания и увеличения амплитуды колебаний в катушке Теслы, необходимо увеличивать частоту импульсов тока в индукторе, при этом каждый импульс должен попадать в нужную фазу. На практике добиться этого можно, используя синхронизацию генератора от счётчика, на вход которого подаются колебания с катушки Теслы. Поскольку наша задача - не проектирование конкретного узла, я просто в модели подобрал частоту генератора. Модель такого процесса приведена на рисунке 13.

Рис.13. Модель схемы с индуктором и катушкой Теслы, поддерживающая в ней непрерывные колебания.

Эта модель отличается от предыдущей только параметром, задающим частоту колебаний генератора.

Временные диаграммы тока в индукторе L1 и напряжения на катушке Теслы L2 показаны на рисунке 14.

Рис. 14. Временные диаграммы модели.
Зелёный - ток в индукторе L1.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы L2.

Для увеличения тока в индукторе необходимо увеличить ток в открытом состоянии диода. В советские времена выпустили диффузионные диоды на десятки и даже сотни ампер, так что, с этой стороны ограничений нет. Рабочие напряжения диффузионных диодов тоже достигают нескольких киловольт. Включать последовательно несколько диодов не имеет смысла. Весь процесс будет определять диод, который восстановится раньше других. По крайней мере, при последовательном соединении приведённых здесь диода и транзистора все диаграммы такие же, как у диода. Он имеет меньшее время восстановления.

Заметим, что на процесс в катушке Теслы оказывает воздействие не только величина тока в момент разрыва, но и величина его изменения, то есть, схема оказывается ещё и экономичной с точки зрения энергетических затрат. Изменение тока равно сумме тока диода в момент окончания импульса и тока в момент восстановления. Потери в цепях на сопротивлениях пропорциональны квадрату тока, а сумма квадратов всегда меньше квадрата суммы.

И вот, наконец, дошли руки. После сборок мелких катушек решил замахнуться на новую схему, более серьезную и сложную в настройке и работе. Перейдем от слов к делу. Полная схема выглядит так:

Работает по принципу автогенератора. Прерыватель пинает драйвер UCC27425 и начинается процесс. Драйвер подает импульс на GDT (Gate Drive Transformator - дословно: трансформатор, управляющий затворами) с GDT идут 2 вторичные обмотки включенные в противофазе. Такое включение обеспечивает попеременное открытие транзисторов. Во время открытия транзистор прокачивает ток через себя и конденсатор 4,7 мкФ. В этот момент на катушке образуется разряд, и сигнал идет по ОС в драйвер. Драйвер меняет направление тока в GDT и транзисторы меняются (который был открытым - закрывается, а второй открывается). И этот процесс повторяется до тех пор, пока идет сигнал с прерывателя.

GDT лучше всего мотать на импортном кольце - Epcos N80. Обмотки мотаются в соотношении 1:1:1 или 1:2:2. В среднем порядка 7-8 витков, при желании можно рассчитать. Рассмотрим RD цепочку в затворах силовых транзисторов. Эта цепочка обеспечивает Dead Time (мертвое время). Это время когда оба транзистора закрыты. То есть один транзистор уже закрылся, а второй еще не успел открыться. Принцип такой: через резистор транзистор плавно открывается и через диод быстро разряжается. На осциллограмме выглядит примерно так:

Если не обеспечить dead time то может получиться так, что оба транзистора будут открыты и тогда обеспечен взрыв силовой.

Идем дальше. ОС (обратная связь) выполнена в данном случае в виде ТТ (трансформатора тока). ТТ наматывается на ферритовом кольце марки Epcos N80 не менее 50 витков. Через кольцо продергивается нижний конец вторичной обмотки, который заземляется. Таким образом высокий ток со вторичной обмотки превращается в достаточный потенциал на ТТ. Далее ток с ТТ идет на конденсатор (сглаживает помехи), диоды шоттки (пропускают только один полупериод) и светодиод (выполняет роль стабилитрона и визуализирует генерацию). Чтобы была генерация необходимо также соблюдать фразировку трансформатора. Если нет генерации или очень слабая - нужно просто перевернуть ТТ.

Рассмотрим отдельно прерыватель. С прерывателем конечно я попотел. Собрал штук 5 разных... Одни пучит от ВЧ тока, другие не работают как надо. Далее расскажу про все прерыватели, которые делал. Начну пожалуй с самого первого - на TL494 . Схема стандартная. Возможна независимая регулировка частоты и скважности. Схема ниже может генерировать от 0 до 800-900 Гц, если поставить вместо 1 мкФ конденсатор 4,7 мкФ. Скважность от 0 и до 50. То что нужно! Однако есть одно НО. Этот ШИМ контроллер очень чувствителен к ВЧ току и различным полям от катушки. В общем при подключении к катушке, прерыватель просто не работал, либо все по 0 либо CW режим. Экранирование частично помогло, но не решило проблему полностью.

Следущий прерыватель был собран на UC3843 очень часто встречается в ИИП, особенно АТХ, оттуда, собственно, его и взял. Схема тоже неплохая и не уступает TL494 по параметрам. Здесь возможна регулировка частоты от 0 до 1кГц и скважность от 0 до 100%. Меня это тоже устраивало. Но опять эти наводки с катушки все испортили. Здесь даже экранирование нисколько не помогло. Пришлось отказаться, хотя собрал добротно на плате...

Надумал вернуться к дубовым и надежным, но малофункциональным 555 . Решил начать с burst interrupter. Суть прерывателя заключается в том, что он прерывает сам себя. Одна микросхема (U1) задает частоту, другая (2) длительность, а третья (U3) время работы первых двух. Все бы ничего, если бы не маленькая длительность импульса с U2. Этот прерыватель заточен под DRSSTC и может работать с SSTC но мне это не понравилось- разряды тоненькие, но пушистые. Далее было несколько попыток увеличить длительность, но они не увенчались успехом.

Схемы генераторов на 555

Тогда решил изменить принципиально схему и сделать независимую длительность на конденсаторе, диоде и резисторе. Возможно многие посчитают эту схему абсурдной и глупой, но это работает. Принцип такой: сигнал на драйвер идет до тех пор пока конденсатор не зарядится (с этим думаю никто не поспорит). NE555 генерирует сигнал, он идет через резистор и конденсатор, при этом если сопротивление резистора 0 Ом, то идет только через конденсатор и длительность максимальна (на сколько хватает емкости) не зависимо от скважности генератора. Резистор ограничивает время заряда, т.е. чем больше сопротивление, тем меньшей времени будет идти импульс. На драйвер идет сигнал меньшей длительностью, но тоже частоты. Разряжается конденсатор быстро через резистор (который на массу идет 1к) и диод.

Плюсы и минусы

Плюсы : независимая от частоты регулировка скважности, SSTC никогда не уйдет в CW режим, если подгорит прерыватель.

Минусы : скважность нельзя увеличивать "бесконечно много", как например на UC3843 , она ограничена емкостью конденсатора и скважностью самого генератора (не может быть больше скважности генератора). Ток через конденсатор идет плавно.

На последнее не знаю как драйвер реагирует (плавную зарядку). С одной стороны драйвер также плавно может открывать транзисторы и они будут сильнее греться. С другой стороны UCC27425 - цифровая микросхема. Для нее существует только лог. 0 и лог. 1. Значит пока напряжение выше порогового - UCC работает, как только опустилось ниже минимального - не работает. В этом случае все работает в штатном режиме, и транзисторы открываются полностью.

Перейдем от теории к практике

Собирал генератор Тесла в корпус от АТХ. Конденсатор по питанию 1000 мкф 400в. Диодный мост из того же АТХ на 8А 600В. Перед мостом поставил резистор 10 Вт 4,7 Ом. Это обеспечивает плавный заряд конденсатора. Для питания драйвера поставил трансформатор 220-12В и еще стабилизатор с конденсатором 1800 мкФ.

Диодные мосты прикрутил на радиатор для удобства и для отвода тепла, хотя они почти не греются.

Прерыватель собрал почти навесом, взял кусок текстолита и канцелярским ножом вырезал дорожки.

Силовая была собрана на небольшом радиаторе с вентилятором, позже выяснилось, что этого радиатора вполне достаточно для охлаждения. Драйвер смонтировал над силовой через толстый кусок картона. Ниже фото почти собранной конструкции генератора Тесла, но находящейся на проверке, измерял температуру силовой при различных режимах (видно обычный комнатный термометр, прилепленный к силовой на термопласту).

Тороид катушки собран из гофрированной пластиковой трубы диаметром 50 мм и обклеенным алюминиевым скотчем. Сама вторичная обмотка намотана на 110 мм трубе высотой 20 см проводом 0,22 мм около 1000 витков. Первичная обмотка содержит аж 12 витков, сделал с запасом, дабы уменьшить ток через силовую часть. Делал с 6 витками в начале, результат почти одинаков, но думаю не стОит рисковать транзисторами ради пары лишних сантиметров разряда. Каркасом первички служит обычный цветочный горшок. С начала думал что не будет пробивать если вторичку обмотать скотчем, а первичку поверх скотча. Но увы, пробивало... В горшке конечно тоже пробивало, но здесь скотч помог решить проблему. В общем готовая конструкция выглядит так:

Ну и несколько фоток с разрядом

Теперь вроде бы все.

Ещё несколько советов: не пытайтесь сразу воткнуть в сеть катушку, не факт что она сразу заработает. Постоянно следите за температурой силовой, при перегреве может бабахнуть. Не мотайте слишком высокочастотные вторички, транзисторы 50b60 могут работать максимум на 150 кГц по даташиту, на самом деле немного больше. Проверяйте прерыватели, от них зависит жизнь катушки. Найдите максимальную частоту и скважность, при которой температура силовой стабильная длительное время. Слишком большой тороид может тоже вывести из строя силовую.

Видео работы SSTC

P.S. Транзисторы силовые использовал IRGP50B60PD1PBF. Файлы проекта . Удачи, с вами был [)еНиС !

Обсудить статью ТЕСЛА ГЕНЕРАТОР