Генератор мощных импульсов тока схемы. Генератор импульсов. Перейдем от теории к практике

В данной статье поговорим про импульсный генератор для ячейки Мэйера.

Изучая элементную базу электронных плат, на которых были собраны все устройства входящие в состав сложной установки, применяемой Мэйером в водородном генераторе, установленном им на автомобиль, я собрал «главную часть» устройства – импульсный генератор.

Все электронные платы выполняют в Ячейке определённые задачи.

Электронная часть мобильной установки генератора водорода Мэйера состоит из двух полноценных устройств, оформленных в виде двух независимых блоков. Это блок управления и контроля ячейки, вырабатывающей кислородно-водородную смесь и блок управления и контроля за подачей этой смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Фотография первого представлена ниже.

Блок управления и контроля за работой ячейки состоит из устройства вторичного питания обеспечивающего все платы модуля энергией и одиннадцати модулей – плат, состоящих из генераторов импульсов, схем контроля и управления. В этом же блоке, за платами импульсных генераторов находятся импульсные трансформаторы. Один из одиннадцати комплектов: плата импульсного генератора и импульсного трансформатора используется конкретно только для одной пары трубок Ячейки. А поскольку пар трубок одиннадцать, то и генераторов тоже одиннадцать.

.

Судя по фотографиям, импульсный генератор собран на простейшей элементной базе цифровых логических элементов. Принципиальные схемы, публикуемые на различных сайтах, посвящённых Ячейке Мэйера, по принципу работы не так далеки от её оригинала, за исключением одного – они упрощены и работают бесконтрольно. Другими словами, импульсы подаются на трубки-электроды до той поры, пока не наступит «пауза», которую по своему усмотрению оперативно с помощью регулировки устанавливает конструктор схемы. У Мэйера «пауза» формируется только тогда, когда сама Ячейка, состоящая из двух трубок, сообщит что пора бы эту паузу сделать. Имеется регулировка чувствительности схемы контроля, уровень которой устанавливается оперативно с помощью регулировки. Кроме того, имеется оперативная регулировка длительности «паузы» — времени, в течение которого на ячейку не поступают импульсы. В схеме генератора Мэйера предусмотрена автоматическая регулировка «паузы» в зависимости от необходимости количества вырабатываемого газа. Эта регулировка осуществляется по сигналу, поступающему от блок управления и контроля за подачей топливной смеси в цилиндры ДВС. Чем быстрее вращается двигатель внутреннего сгорания, тем больше расход кислородно-водородной смеси и тем короче «пауза» у всех одиннадцати генераторов.

На переднюю панель генератора Мэйера выведены шлицы подстроечных резисторов осуществляющих регулировку частоты импульсов, длительности паузы между пачками импульсов и ручной установки уровня чувствительности схемы контроля.

Для репликации опытного импульсного генератора нет необходимости в автоматическом контроле потребности газа и автоматическом регулировании «паузы». Это упрощает электронную схему импульсного генератора. Кроме того, современная электронная база более развита, чем была 30 лет назад, поэтому при наличии более современных микросхем, нет смысла использовать простейшие логические элементы, которые ранее использовал Мэйер.

В настоящей статье публикуется схема импульсного генератора, собранного мной, воссоздающего принцип работы генератора ячейки Мэйера. Это не первая моя конструкция импульсного генератора, до неё было ещё две более сложных схемы, способных генерировать импульсы различной формы, с амплитудной, частотной и временной модуляцией, схемами контроля тока нагрузки в цепях трансформатора и самой Ячейки, схемами стабилизации амплитуд импульсов и формы выходного напряжения на Ячейке. В результате исключения, по моему мнению «ненужных» функций получилась простейшая схема, очень похожая на схемы, публикуемые на различных сайтах, но отличающаяся от них наличием схемы контроля тока Ячейки.

Как и в других публикуемых схемах, в ячейке имеются два генератора. Первый является генератором – модулятором, формирующим пачки импульсов, а второй генератором импульсов. Особенностью схемы является то, что первый генератор — модулятор работает не в режиме автогенератора, как у других разработчиков схем Ячейки Мейера, а в режиме ждущего генератора. Модулятор работает по следующему принципу: На начальном этапе он разрешает работу генератора, а по достижении непосредственно на пластинах Ячейки определённой амплитуды тока, происходит запрет генерации.

В мобильной установке Мэйера в качестве импульсного трансформатора используется тонкий сердечник, а количество витков всех обмоток огромное. Ни в одном патенте не указаны ни размеры сердечника, ни количество витков. В стационарной установке у Мэйера замкнутый торроид с известными размерами и количеством витков. Именно его и решено было использовать. Но поскольку тратить энергию впустую на намагничивание в однотактной схеме генератора это – расточительство, было решено использовать трансформатор с зазором, взяв за основу ферритовый сердечник от строчного трансформатора ТВС-90 применяемого в транзисторных чёрно-белых телевизорах. Он наиболее подходит под параметры, указанные в патентах Мэйера для стационарной установки.

Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера в моём исполнении представлена на рисунке.

.

Никакой сложности в конструкции генератора импульсов нет. Он собран на банальных микросхемах – таймерах LM555. По причине того, что генератор экспериментальный и неизвестно какие токи нагрузки нас могут ожидать, для надёжности в качестве выходного транзистора VT3 используется IRF.

Когда ток Ячейки достигнет определённого порога, при котором происходит разрыв молекул воды, необходимо сделать паузу в подаче импульсов на Ячейку. Для этого служит кремниевый транзистор VT1 — КТ315Б, который запрещает работу генератора. Резистор R13 «Ток срыва генерации» предназначен для установки чувствительности схемы контроля.

Переключатель S1 «Длительность грубо» и резистор R2 «Длительность точно» являются оперативными регулировками длительности паузы между пачками импульсов.

В соответствии с патентами Мэйера трансформатор имеет две обмотки: первичная содержит 100 витков (для 13 вольт питания) провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм, вторичная содержит 600 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм.

При указанных параметрах трансформатора оптимальная частота следования импульсов – 10 кГц. Катушка индуктивности L1 намотана на картонной оправке диаметром 25 мм, и содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.

Теперь, когда вы всё это «проглотили», произведём разбор полётов этой схемы. С данной схемой я не применял дополнительных схем повышающих выход газа, потому что в мобильной Ячейке Мэйера их не наблюдается, конечно не считая лазерной стимуляции. Или я забыл сходить со своей Ячейкой к «бабке – шептунье», чтобы она нашептала высокую производительность Ячейки, или не правильно выбрал трансформатор, но КПД установки получился очень низкий, а сам трансформатор сильно нагревался. Учитывая, что сопротивление воды мало, сама Ячейка не способна выступать в качестве накопительного конденсатора. Ячейка просто не работала по тому «сценарию» который описывал Мэйер. Поэтому я добавил в схему дополнительный конденсатор С11. Только в этом случае на осциллограмме выходного напряжения появилась форма сигнала, с выраженным процессом накопления. Почему я поставил его не параллельно Ячейке, а через дроссель? Схема контроля тока ячейки должна отслеживать резкое повышение этого тока, а конденсатор будет препятствовать этому своим зарядом. Катушка уменьшает влияние С11 на схему контроля.

Я использовал простую воду из под крана, использовал и свежее дистиллированную. Как я только не извращался, но затраты энергии при фиксированной производительности были в три — четыре раза выше, чем напрямую от аккумулятора через ограничительный резистор. Сопротивление воды в ячейке настолько мало, что повышение импульсного напряжения трансформатором, с лёгкостью гасилось на малом сопротивлении, заставляя магнитопровод трансформатора сильно нагреваться. Возможно, предположить, что вся причина в том, что я использовал трансформатор на феррите, а в мобильной версии Ячейки Мэйера стоят трансформаторы, у которых сердечник почти отсутствует. Он больше выполняет функцию каркаса. Не трудно понять, что Мэйер компенсировал малую толщину сердечника большим количеством витков, тем самым увеличив индуктивность обмоток. Но сопротивление воды от этого не увеличится, поэтому и напряжение, о котором пишет Мэйер, не поднимется до описываемого в патентах значения.

С целью повышения КПД я решил «выкинуть» из схемы трансформатор, на котором происходит потеря энергии. Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера без трансформатора представлена на рисунке.

.

Так как индуктивность катушки L1 очень маленькая, я так же исключил её из схемы. И «о чудо» установка стала выдавать сравнительно высокий КПД. Я провёл эксперименты и пришел к выводу, что на заданный объём газа установка затрачивает ту же самую энергию, что и при электролизе постоянным током, плюс-минус погрешность измерений. То есть я наконец собрал установку, в которой не происходит потерь энергии. Но зачем она нужна, если напрямую от аккумулятора точно такие же затраты энергии?

Завершение

Завершим тему очень маленького сопротивления воды. Сама Ячейка не способна работать в качестве накопительного конденсатора потому, что вода, которая выступает в качестве диэлектрика конденсатора, быть им не может – она проводит ток. Для того, чтобы над ней совершался процесс электролиза – разложения на кислород и водород, она должна быть проводящей. Получается неразрешимое противоречие, которое возможно разрешить только по одному пути: Отказаться от версии «Ячейка-конденсатор». Накопления в Ячейке подобно конденсатору происходить не может, это Миф! Если учитывать площадь обкладок конденсатора образованного поверхностями трубок, то даже при воздушном диэлектрике ёмкость ничтожно мала, а здесь в качестве диэлектрика выступает вода со своим малым активным сопротивлением. Не верите? Возьмите учебник физики и посчитайте ёмкость.

Можно предположить, что накопление происходит на катушке L1, но этого также не может быть по той причине, что её индуктивность также очень мала для частоты порядка 10 кГц. Индуктивность трансформатора на несколько порядков выше. Можно даже задуматься над тем, зачем её с малой индуктивностью вообще «воткнули» в схему.

Послесловие

Кто-то скажет, что всё чудо в бифилярной намотке. В том виде, в каком она представлена в патентах Мэйером, толку от неё не будет. Бифилярная намотка применяется в защитных фильтрах питания, не одного и того же проводника, а противоположных по фазе и предназначена для подавления высоких частот. Она даже имеется во всех без исключения блоках питания компьютеров и ноутбуков. А для одного и того же проводника, бифилярная намотка делается в проволочном резисторе, для подавления индуктивных свойств самого резистора. Бифилярная намотка может использоваться в качестве фильтра, защищающего выходной транзистор, не пропускающего мощные СВЧ-импульсы в схему генератора, подаваемые от источника этих импульсов непосредственно на Ячейку. Кстати и катушка L1 является отличным фильтром для СВЧ. Первая схема импульсного генератора, которая использует повышающий трансформатор – правильная, только чего-то не хватает между транзистором VT3 и самой Ячейкой. Этому я посвящу следующую статью.

Mitchell Lee

LT Journal of Analog Innovation

Источники импульсов с крутыми фронтами, имитирующие ступенчатую функцию, часто оказываются полезными при выполнении тех или иных лабораторных измерений. Например, если крутизна фронтов имеет порядок 1…2 нс, можно оценить время нарастания сигнала в кабеле RG-58/U или любом другом, взяв отрезок длиной всего 3…6 м. Рабочая лошадка многих лабораторий - вездесущий генератор импульсов HP8012B - не дотягивает до 5 нс, что недостаточно быстро для решения подобной задачи. Между тем, времена нарастания и спада выходных сигналов драйверов затворов некоторых контроллеров импульсных регуляторов могут быть менее 2 нс, что делает эти устройства потенциально идеальными источниками импульсов.

На Рисунке 1 показана простая схема реализации этой идеи, основанная на использовании контроллера обратноходового преобразователя , работающего на фиксированной частоте переключения. Собственная рабочая частота контроллера равна 200 кГц. Подача части выходного сигнала на вывод SENSE заставляет устройство работать с минимальным коэффициентом заполнения, формируя выходные импульсы длительностью 300 нс. Немаловажное значение для этой схемы имеет развязка питания, поскольку выходной ток, отдаваемый в нагрузку 50 Ом, превышает 180 мА. Элементы развязки 10 мкФ и 200 Ом минимизируют искажения вершины импульса без ущерба для крутизны фронтов.

Выход схемы подключается непосредственно к согласованной нагрузке 50 Ом, обеспечивая на ней размах сигнала около 9 В. В случае, когда первостепенное значение имеет качество импульсов, рекомендуется подавлять сигнал тройного прохождения, поглощая отражения от кабеля и удаленной нагрузки с помощью показанного на схеме последовательного согласования. Последовательное согласование, то есть, согласование на передающей стороне, оказывается полезным также тогда, когда схема работает на пассивные фильтры и иные аттенюаторы, рассчитанные на определенный импеданс источника сигнала. Выходной импеданс микросхемы LTC3803 равен примерно 1.5 Ом, что следует принимать во внимание при выборе сопротивления последовательного согласующего резистора. Последовательное согласование работает хорошо до импедансов, по меньшей мере, 2 кОм, выше которых становится трудно обеспечивать необходимую полосу пропускания в точке соединения резистора и схемы, что приводит к ухудшению качества импульсов.

В системе с последовательным согласованием выходной сигнал имеет следующие характеристики:

• амплитуда импульсов - 4.5 В;
• времена нарастания и спада одинаковы, и равны 1.5 нс;
• искажение плоской вершины импульса - менее 10%;
• спад вершины импульса - менее 5%.

При непосредственном подключении нагрузки 50 Ом времена нарастания и спада не ухудшаются. Для того, чтобы получить импульсы наилучшей формы, конденсатор 10 мкФ подключите как можно ближе к выводам V CC и GND микросхемы LTC3803, а выход соедините прямо с согласующим резистором, используя полосковую технологию. Волновое сопротивление, примерно равное 50 Ом, имеет печатный проводник шириной 2.5 мм на двухсторонней печатной плате толщиной 1.6 мм.

Материалы по теме

PMIC; преобразователь DC/DC; Uвх:5,7÷75В; Uвых:5,7÷75В; TSOT23-6

• Linear Technology вообще топовая фирма! Очень-очень жаль что их сожрала ширпотребовская Analog Devices. Ничего хорошего от этого не жди. Встречал я раньше статью англоязычного радиолюбителя. Он собрал генератор очень коротких импульсов шириной в единицы наносекунд и временами нарастания/спада в пикосекундах. На очень скоростном компараторе. Жаль не сохранил статью. И найти теперь никак не могу. Называлась что-то вроде "...real ultrafast comparator...", но как-то не так, не гуглится. Название компаратора забыл, и фирму его не помню. Компаратор на ebay тогда находил, около 500 руб стоил, в принципе бюджетно для действительно достойного прибора. У Linear Tecnology есть очень интересные микросхемки. Например LTC6957: время нарастания/спада 180/160 пс. Обалденно! Но сам построить измерительный прибор на подобной микрухе я вряд ли смогу.
• Случаем не это на LT1721? Перестраиваемый 0-10нс.

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.

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 .

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.

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

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).

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.

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 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.

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 .

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).

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:
.

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.

Генераторы импульсов являются важной составляющей многих радиоэлектронных устройств. Простейший генератор импульсов (мультивибратор) может быть получен из двух-каскадного УНЧ (рис. 6.1). Для этого достаточно соединить вход усилителя с его выходом. Рабочая частота такого генератора определяется значениями R1C1, R3C2 и напряжением питания. На рис. 6.2, 6.3 показаны схемы мультивибраторов, полученные простой перестановкой элементов (деталей) схемы, изображенной на рис. 6.1. Отсюда следует, что одну и ту же простейшую схему можно изобразить различными способами.

Практические примеры использования мультивибратора приведены на рис. 6.4, 6.5.

На рис. 6.4 показана схема генератора, позволяющего плавно перераспределять длительность или яркость свечения светодиодов, включенных в качестве нагрузки в цепи коллекторов. Вращением ручки потенциометра R3 можно управлять соотношением длительностей свечения светодиодов левой и правой ветвей. Если увеличить емкость конденсаторов С1 и С2, частота генерации понизится, светодиоды начнут мигать. При уменьшении емкости этих конденсаторов частота генерации возрастает, мелькание светодиодов сольется в сплошное свечение, яркость которого будет зависеть от положения ручки потенциометра R3. На основе подобного схемного решения могут быть собраны разнообразные полезные конструкции, например, регулятор яркости светодиодного фонарика; игрушка с мигающими глазами; устройство плавного изменения спектрального состава источника излучения (разноцветные светодиоды или миниатюрные лампочки и светосуммирую-щий экран).

Генератор переменной частоты (рис. 6.5) конструкции В. Цибульского позволяет получать плавно изменяющееся со временем по частоте звучание [Р 5/85-54]. При включении генератора его частота возрастает с 300 до 3000 Гц за 6 сек (при емкости конденсатора СЗ 500 мкФ). Изменение емкости этого конденсатора в ту или иную сторону ускоряет или, напротив, замедляет скорость изменения частоты. Плавно изменять эту скорость можно и переменным сопротивлением R6. Для того чтобы этот генератор мог выполнять роль сирены, или быть использованным в качестве генератора качающейся частоты, можно предусмотреть схему принудительного периодического разряда конденсатора СЗ. Такие эксперименты можно рекомендовать для самостоятельного расширения познаний в области импульсной техники.

Управляемый генератор прямоугольных импульсов показан на рис. 6.6 [Р 10/76-60]. Генератор также представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для упрощения схемы генератора достаточно соединить эмиттеры транзисторов конденсатором. Емкость этого конденсатора определяет рабочую частоту генерации. В данной схеме для управления частотой генерации в качестве управляемой напряжением емкости использован варикап. Увеличение запирающего напряжения на варикапе приводит к уменьшению его емкости. Соответственно, как показано на рис. 6.7, возрастает рабочая частота генерации.

Варикап, в порядке эксперимента и изучения принципа работы этого полупроводникового прибора, можно заменить простым диодом. При этом следует учитывать, что германиевые точечные диоды (например, Д9) имеют очень малую начальную емкость (порядка нескольких пФ), и, соответственно, обеспечивают небольшое изменение этой емкости от величины приложенного напряжения. Кремниевые диоды, особенно силовые, рассчитанные на большой ток, а также стабилитроны, имеют начальную емкость 100... 1000 пФ, поэтому зачастую могут быть использованы вместо варикапов. В качестве варикапов можно применить и р-n переходы транзисторов, см. также главу 2.

Для контроля работы сигнал с генератора (рис. 6.6) можно подать на вход частотометра и проверить границы перестройки генератора при изменении величины управляющего напряжения, а также при смене варикапа или его аналога. Рекомендуется полученные результаты (значения управляющего напряжения и частоту генерации) при использовании разного вида варикапов занести в таблицу и отобразить на графике (см., например, рис. 6.7). Отметим, что стабильность генераторов на RC-элементах невысока.

На рис. 6.8, 6.9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений. Первый из них вырабатывает короткие вспышки света частотой единицы Гц, второй — импульсы звуковой частоты. Соответственно, первый генератор может быть использован в качестве маячка, светового метронома, второй — в качестве звукового генератора, частота колебаний которого зависит от положения ручки потенциометра R1. Эти генераторы можно объединить в единое целое. Для этого достаточно один из генераторов включить в качестве нагрузки другого, либо параллельно ей. Например, вместо цепочки из светодиода HL1, R2 или параллельно ей (рис. 6.8) можно включить генератор по схеме на рис. 6.9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.

Генератор импульсов (рис. 6.10), выполненный на составном транзисторе (п-р-п и р-п-р), не содержит конденсаторов (в качестве частотозадающего конденсатора использован пьезокерамиче-ский излучатель BF1). Генератор работает при напряжении от 1 до 10 Б и потребляет ток от 0,4 до 5 мА. Для повышения громкости звучания пьезокерамического излучателя его настраивают на резонансную частоту подбором резистора R1.

На рис. 6.11 показан достаточно оригинальный генератор релаксационных колебаний, выполненный на биполярном лавинном транзисторе.

Генератор содержит в качестве активного элемента транзистор микросхемы К101КТ1А с инверсным включением в режиме с «оборванной» базой. Лавинный транзистор может быть заменен его аналогом (см. рис. 2.1).

Устройства (рис. 6.11) часто используют для преобразования измеряемого параметра (интенсивности светового потока, температуры, давления, влажности и т.д.) в частоту при помощи резистивных или емкостных датчиков.

При работе генератора конденсатор, подключенный параллельно активному элементу, заряжается от источника питания через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения пробоя активного элемента (лавинного транзистора, динистора или т.п. элемента), происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки, после чего процесс повторяется с частотой, определяемой постоянной RC-цепи. Резистор R1 ограничивает максимальный ток через транзистор, препятствуя его тепловому пробою. Времязадающая цепь генератора (R1C1) определяет рабочую область частот генерации. В качестве индикатора звуковых колебаний при качественном контроле работы генератора используют головные телефоны. Для количественной оценки частоты к выходу генератора может быть подключен частотомер или счетчик импульсов.

Устройство работоспособно в широком интервале изменения параметров: R1 от 10 до 100 кОм (и даже до 10 МОм), С1 — от 100 пФ до 1000 мкФ, напряжения питания от 8 до 300 В. Потребляемый устройством ток обычно не превышает одного мА. Возможна работа генератора в ждущем режиме: при замыкании базы транзистора на землю (общую шину) генерация срывается. Преобразователь-генератор (рис. 6.11) может быть использован и в режиме сенсорного ключа, простейшего Rx-и Сх-метра, перестраиваемого широкодиапазонного генератора импульсов и т.д.

Генераторы импульсов (рис. 6.12, 6.13) также выполнены на лавинных транзисторах микросхемы К101КТ1 типа п-р-п или К162КТ1 типа р-п-р, динисторах, или их аналогах (см. рис. 2.1). Генераторы работают при напряжении питания выше 9 Б и вырабатывают напряжение треугольной формы. Выходной сигнал снимается с одного из выводов конденсатора. Входное сопротивление следующего за генератором каскада (сопротивление нагрузки) должно в десятки раз превышать величину сопротивления R1 (или R2). Низкоомную нагрузку (до 1 кОм) можно включать в коллекторную цепь одного из транзисторов генератора.

Довольно простые и часто встречающиеся на практике генераторы импульсов (блокинг-генераторы) с использованием индуктивной обратной связи показаны на рис. 6.14 [А. с. СССР 728214], 6.15 и 6.16. Такие генераторы обычно работоспособны в широком диапазоне изменения напряжения питания. При сборке блокинг-генераторов необходимо соблюдать фазировку выводов: при неправильном подключении «полярности» обмотки генератор не заработает.

Подобные генераторы можно использовать при проверке трансформаторов на наличие межвитковых замыканий (см. главу 32): никаким иным методом такие дефекты не могут быть выявлены.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год