Транзисторный ключ с трансформатором в цепи коллектора

В приведенной на рис.1.26,а схеме ключа индуктивный характер сопротивления коллекторной цепи определяется трансформаторной связью транзистора с сопротивлением нагрузки Rн.

При рассмотрении процессов в ключе будем считать транзистор безинерционным, а трансформатор представлять упрощенной эквивалентной схемой, в которой учитывается только индуктивность намагничивания Lmи приведенный к коллекторной обмотке ток нагрузки iн'. В результате эквивалентная схема коллекторной цепи будет иметь вид, показанный на рис.1.26,б.

Рис.1.26. Ключ с трансформатором - принципиальная схема (а) и эквивалентная схема коллекторной цепи (б).

При отключенном сопротивлении Rнпереходные процессы, происходящие в схеме при воздействии прямоугольного импульса тока базы Iб1различной длительности показаны на рис.1.27.

В момент времени toподачи входного сигнала (тока базы Iб1) ток коллектора iкудерживается индуктивностью L_m на нулевом уровне. Поэтому сразу же выполняется условие насыщения транзистора

b·Iб1> iк, (1.56)

коллекторное напряжение падает до нуля, и к индуктивности прикладывается напряжение, равное ЭДС источника питания Ек.

РРис.1.27. Временные диаграммы работы ключа с индуктивной нагрузкой.

Напряжение на индуктивности определяет скорость изменения ее потокосцепления

, (1.57)

и в соответствии с кривой намагничивания (рис.1.28), скорость изменения тока im. В свою очередь это напряжение зависит от того, успевает или нет за время действия входного сигнала ток намагничивания и равный ему ток коллектора нарасти до значения, нарушающего условие (1.56) насыщения транзистора.

Если длительность входного сигнала tвх1недостаточна для вывода транзистора из насыщения, то в течении этого времени коллекторное напряжение остается равным нулю (рис.1.27,а), а напряжение катушки равно ЭДС источника питания и определяет постоянную скорость изменения потокосцепления катушки

Y = Ек·t, (1.58)

Рис.1.28. Кривая намагничивания сердечника трансформатора.

При большой длительности входного сигнала tвх2(рис.1.27,б) через время, равное tк, транзистор выходит из насыщения и стабилизирует ток коллекторной цепи на уровне b·Iб1. Дальнейшая неизменность тока намагничивания и потокосцепления катушки обуславливает скачкообразное изменение напряжения катушки до нуля, а коллекторного напряжения до величины ЭДС источника питания выходной цепи.

В момент t2окончания входного импульса Iб1все токи транзистора прекращаются, а ток намагничивания сердечника замыкается через цепь R3- VD3, защищающую транзистор от пробоя. Величина сопротивления R3этой цепи определяет форму обратного выброса напряжения на коллекторе. С ростом R3амплитуда выброса растет, постоянная времени Lm/R3падает, что приводит к ускорению рассеивания магнитной энергии сердечника и уменьшению длительности выброса.

Выход транзистора из насыщения в момент времени t1(рис.1.27,б) делает неравными длительности входного сигнала (to-t2) и импульсного коллекторного напряжения (to-t1). Этому эффекту могут способствовать:

¾ увеличение длительности входного сигнала;

¾ уменьшение амплитуды входного тока Iб1;

¾ уменьшение сопротивления защитной цепи R3, влияющего на время восстановления магнитного состояния сердечника в паузе между импульсами базового тока при периодическом входном сигнале;

¾ рост частоты входного сигнала, уменьшающий длительность паузы, т.е. время, отводимое на восстановление исходного магнитного состояния сердечника. На рис.1.29 приведены выходные характеристики идеализированного транзистора, линия нагрузки Rн' и траектория движения изображающей точки при включении и выключении транзистора под воздействием импульса тока базы.

Рис.1.29. Траектория рабочей точки ключа с трансформатором.

Если ко вторичной обмотке трансформатора подключена нагрузка, то в эквивалентной схеме необходимо учесть включенное параллельно индуктивности приведенное к коллекторной обмотке сопротивление нагрузки и протекающий по нему ток (рис.1.26,б). Приведение осуществляется по формулам

Rн' = Rн / nн2, (1.59)

iн' = UL / Rн',(1.60)

где nн= Wн/Wк- коэффициент трансформации трансформатора.

На рис.1.30 приведена для этого случая картина переходных процессов, особенности которых сводятся к следующему.

Во время действия входного сигнала ток коллектора определяется суммой тока подмагничивания imи приведенного тока нагрузки iн':

iк= im+ iн',(1.61)

Рис.1.30. Переходные процессы в схеме с натрузкой.

Выход транзистора из насыщения в схеме с нагрузкой происходит быстрее, чем в схеме, работающей на холостом ходу, что и приводит к зависимости длительности импульса коллекторного напряжения от сопротивления нагрузки Rн. После окончания входного сигнала ток намагничивания замыкается не только через R3, но и через сопротивление нагрузки. В результате уменьшается амплитуда и увеличивается длительность обратного выброса коллекторного напряжения.

Блокинг - генераторы.

Блокинг-генератор по принципу построения представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель с глубокой положительной обратной связью, осуществляемой импульсным трансформатором. Блокинг-генераторы применяют в качестве мощных источников коротких импульсов (длительностью от сотых долей до десятков микросекунд), имеющих большую скважность (больше 10) и высокую крутизну фронтов. На основе блокинг-генераторов часто выполняют формирователи управляющих импульсов в системах цифрового действия, они находят применение в схемах формирования пилообразного тока в устройствах электромагнитной развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов. Блокинг-генераторы могут работать в различных режимах: ждущем, автоколебательном, режимах синхронизации и деления частоты.

В качестве сердечника импульсного трансформатора используют ненасыщающиеся сердечники из магнитомягкого материала, т.е. сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. Наличие трансформатора в схеме блокинг-генератора позволяет осуществить электрическую развязку цепи нагрузки и источника питания, легко обеспечить согласование с нагрузкой обеспечить одновременное получение нескольких импульсов одинаковой или разной полярности и разной амплитуды.

Рис.1.31. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы блокинг-генератора

Рассмотрим работу ждущего блокинг-генератора на примере схемы, приведенной на рис.1.31,а. Она выполнена на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эммитером, и трансформаторе T. Цепь положительной обратной связи осуществлена с помощью вторичной обмотки Wбтрансформатора, конденсатора C и резистора R. Резистор Rбсоздает контур разряда конденсатора, когда транзистор закрыт. Выходной сигнал может быть снят либо непосредственно с коллектора транзистора, либо с дополнительной нагрузочной обмотки Wнтрансформатора; цепь из диода VD1и резистора R1защищает транзистор от перенапряжений.

Будем считать, что сердечник трансформатора в процессе работы не насыщается. При этом между напряженностью магнитного поля H и индукцией B имеется однозначная связь

B = m·H,(1.62)

где m - магнитная проницаемость материала сердечника, являющаяся, в свою очередь, функцией напряженности m = f(H).

Для упрощения рассмотрения в дальнейшем будем считать m=const. Намагничивающий ток i_m создает магнитный поток, потокосцепление которого с обмоткой коллекторной цепи Wкопределяется из уравнения

Y = Lк·im, (1.63)

где Lк- индуктивность обмотки Wк; im=(iк-iб'-iн') - намагничивающий ток; iб'=nб·iб- ток базовой обмотки Wб, приведенный к первичной обмотке Wк;nб=Wб/Wк; iн'=iн·nн- ток нагрузки обмотки Wн, приведенный к первичной обмотке Wк; nн=Wн/Wк.

Работа схемы. В исходном состоянии транзистор заперт отрицательным напряжением смещения Еб, приложенным к цепи база-эмиттер транзистора. Блокинг-генератор находится в состоянии устойчивого равновесия, из которого он может быть выведен подачей в цепь базы транзистора запускающего импульса положительной полярности. При отпирании транзистора начинает действовать положительная обратная связь, т.е. возникает регенеративный процесс лавинообразного роста коллекторного тока iки базового тока iб. В результате этого процесса транзистор входит в режим насыщения. Начинается процесс формирования переднего фронта импульса, по окончании которого формируется вершина импульса.

В этой стадии практически все напряжение питания Екприложено к обмотке Wктрансформатора и ток этой обмотки будет непрерывно увеличиваться (dY/dt=const при Lк=const). Следовательно, ток коллектора будет непрерывно нарастать. В то же время ток базы непрерывно уменьшается за счет зарядки конденсатора C через эмиттерный переход транзистора, причем напряжение обмотки Wбв этот промежуток времени можно считать постоянным.

В конечном итоге в результате увеличения тока коллектора и уменьшения тока базы транзистор из режима насыщения выходит в активный режим и действие положительной обратной связи восстанавливается. Возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания, в течении которого ток коллектора падает до нуля, а напряжение на коллекторе становится равным Ек. На этом цикл кончается и блокинг-генератор возвращается в исходное состояние, из которого он может быть выведен только следующим запускающим импульсом.

Таким образом за рабочий цикл блокинг-генератора формируется короткий импульс довольно большой мощности.

Рассмотрим отдельные этапы переходного процесса в блокинг-генераторе. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой коллекторной цепи транзистора генератора (рис.1.31,б), где Rн'=Rн/nн2, Rвх'=Rвх/nб2- сопротивление в базовой цепи транзистора, в схеме не учтены индуктивности рассеяния трансформатора и паразитные емкости. Временные диаграммы, поясняющие работу блокинг-генератора, приведены на рис.1.32.

Исходное состояние. В ждущем режиме в исходном состоянии транзистор заперт отрицательным напряжением -Еб, в цепи базы протекает ток Iб(0) = -Iко. Конденсатор С заряжен до напряжения

Uc(0) = -Eб+ Iко·Rб,(1.64)

Напряжение на всех трех обмотках трансформатора равно нулю, а в сердечнике трансформатора имеется небольшой постоянный магнитный поток, обусловленный намагничивающей силой

F1= Iко·Wк,(1.65)

Запуск и опрокидывание. В момент времени t1(рис.1.32) поступает запускающий импульс eзапположительной полярности, который подается в цепь базы транзистора. Транзистор отпирается, что приводит в действие цепь положительной ОС. Ток коллектора растет, вызывая рост базового тока iб. Так как емкость конденсатора C достаточно велика, напряжение на ней практически не меняется в течении всего процесса регенерации. Можно считать, что ток заряда конденсатора C равен iб, т.к. сопротивление резистора R много больше входного сопротивления открытого транзистора.

Рис.1.32. Временные диаграммы токов и напряжений блокинг-генератора

Развитие регенеративного процесса отпирания транзистора возможно, если в схеме создаются условия для увеличения тока базы за счет положительной обратной связи. Это означает, что цепь обратной связи должна обеспечить соотношение для токов транзистора, при котором

, (1.66)

где ток коллектора

iк= iб·nб+ iн·nн,(1.67)

Если принять на этапе регенеративного процесса напряжение на коллекторной обмотке равным DUк, то

, (1.68)

В результате подстановки выражения (1.67) в (1.66) с учетом (1.68) находим условие, необходимое для развития прямого регенеративного (блокинг) процесса в схеме

, (1.69)

Регенеративный процесс опрокидывания длится до тех пор, пока действует положительная ОС и транзистор находится в активной области. В момент времени t2из-за уменьшения коллекторного напряжения Uки роста базового тока iбтранзистор попадает в режим насыщения, при котором Uк @ 0, U1 @ Ек.

Формирование вершины импульса. При работе транзистора в режиме насыщения формируется вершина импульса (интервал времени t2-t3). При этом к первичной обмотке трансформатора приложено практически все напряжение Ек, а в обмотках Wби Wниндуцируются ЭДС, равные Uб@nб·Еки Uн@nн·Ек. Токи imи iкнарастают во времени, что видно из диаграммы (рис.1.32). Ток базы также изменяется во времени из-за зарядки конденсатора C :

iб(t) = iб(t2)e -t/t,(1.70)

где

, (1.71)

rвхн¾ входное сопротивление насыщенного транзистора;

t=C·(R+rвхн) ¾ постоянная времени зарядной цепи.

В выражении (1.71) не учтено активное сопротивление базовой обмотки трансформатора.

Через коллекторную обмотку и транзистор протекает ток (рис.1.31,б), равный сумме трех составляющих:

iк= im+ iб'+ iн', (1.72)

где im-- ток намагничивания, iб'=iб·nб; iн'=Ек·nн2/Rн¾ приведенные к коллекторной обмотке токи базы и нагрузки.

Ток намагничивания imсоздается под воздействием приложенного к коллекторной обмотке Wкнапряжения Еки обусловлен перемещением рабочей точки по кривой намагничивания сердечника трансформатора из точки O' в направлении к точке M (рис.1.22). Характер изменения во времени тока imзависит от вида кривой намагничивания и числа витков коллекторной обмотки (ее индуктивности L) и обычно близок к линейному закону. Для тока будет действительно уравнение L·dim/dt=Ек, откуда находим

, , (1.73)

где tв- длительность вершины импульса.

Временные диаграммы изменения составляющих тока коллектора согласно выражения (1.72) показаны на рис.1.33.

Рис.1.33. Временные диаграммы изменения составляющих тока коллектора

С увеличением тока коллектора происходит рассасывание избыточных неосновных носителей заряда, накопленных в базе. С уменьшением тока базы этот заряд также уменьшается. В момент времени t3, когда выполняется условие

iк(t3) = b·iб(t3),(1.74)

транзистор выходит из режима насыщения в активную область и формирование вершины импульса заканчивается.

Длительность вершины выходного импульса блокинг-генератора можно найти из условия (1.74), которое с учетом выражений (1.70...1.73) принимает вид

, (1.75)

Для решения этого уравнения разложим экспоненту e-t/tв степенной ряд для t/t << 1:

, (1.76)

Ограничиваясь первыми двумя членами ряда (1.76) из (1.75), получаем выражение для длительности вершины импульса

, (1.77)

Обычно nб=1/3...1/6, тогда b-nб@bи формула (1.77) принимает вид

, (1.78)

Обратное опрокидывание и восстановление исходного состояния. В момент t3выхода транзистора в активную область вступает в действие положительная ОС и возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания. При этом в течении процесса регенерации можно считать, что заряд конденсатора С остается постоянным и Uc(t3)=Uc(t4). Уменьшение тока iкприводит к уменьшению Uб, а значит и тока базы iб. В итоге происходит дальнейшее уменьшение тока iк. Заряд, накопленный в базе, быстро рассасывается. Транзистор запирается, и токи iки iбстановятся равными Iко.

Из временной диаграммы тока базы (рис.1.32) видно, что во время обратного опрокидывания iбимеет обратное направление и значение его во много раз больше Iко. Это обусловлено наличием избыточного заряда в базе насыщенного транзистора, носители которой в момент изменения приложенного напряжения на обратное изменяют ток базы транзистора.

С момента времени t4начинается процесс восстановления исходного состояния, который связан с рассеиванием электромагнитной энергии, запасенной в сердечнике трансформатора, и с разрядом конденсатора C. Разряд конденсатора С происходит по цепи Wб- R - Rб- Eб. Процесс восстановления заканчивается в момент времени, когда напряжение на конденсаторе достигнет установившегося значения Uc(0).

Время восстановления можно находить из упрощенного выражения

tвос@ (3...5)·С·(R + Rб),(1.79)

Для перевода блокинг-генератора в автоколебательный режим на схему подают положительное напряжение смещения (рис.1.34,а).

Рис.1.34. Схема блокинг-генератора в автоколебательном режиме (а), диаграмма изменения напряжения на базе транзистора (б).

Процессы, протекающие в автоколебательном режиме работы блокинг-генератора, аналогичны процессам в ждущем режиме. Начнем рассмотрение этого режима с момента запирания транзистора Т. В этот момент конденсатор С заряжен до некоторого максимального напряжения Uсм, минус которого приложен к базе транзистора (рис.1.34,б). Конденсатор разряжается через обмотку Wб, резистор Rби источник смещения Еб. При этом напряжение на базе уменьшается стремясь к уровню:

Uбэ(¥) = Еб+ Iко·Rб @ Еб, (1.80)

В определенный момент времени это напряжение достигает значения Uпор>0, при котором транзистор отпирается. Процесс формирования импульса повторяется. По окончании его конденсатор С снова оказывается заряженным до напряжения Uсм.

Длительность импульса определяется как и в ждущем режиме по выражению (1.78).

Длительность паузы

, (1.81)

где Uсм@ nб·Ек, R=0.

Тогда период автоколебаний T = tв+ tп.