Как изготовить мощный высоковольтный генератор импульсов. Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии

Генераторы прямоугольных импульсов применяются во многих радиолюбительских устройствах: электронных счетчиках, игровых автоматах, ну и наиболее широкок применяют они получили при настройке цифровой техники. Предлагаем вашему вниманию подборку схем и конструкций генераторов прямоугольных импульсов

Амплитуда генерируемого сигнала в таких генераторах очень стабильна и близка к напряжению питания. Но форма колебаний весьма далека от синусоидальной - сигнал получается импульсным, причем длительность импульсов и пауз между ними легко регулируется. Импульсам легко придать вид меандра, когда длительность импульса равна длительности паузы между ними.

Основной и широко распространенный вид релаксационного генератора - симметричный мультивибратор на двух транзисторах, схема которого показана на рисунке ниже. В нем два стандартных усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2 соединены в последовательную цепочку, то есть выход одного каскада соединен со входом другого через разделительные конденсаторы С1 и С2. Они же определяют и частоту генерируемых колебаний F, точнее, их период Т. Напомню, что период и частота связаны простым соотношением

Если схема симметрична и номиналы деталей в обоих каскадах одинаковы, то и выходное напряжение имеет форму меандра.

Работает генератор так: сразу после включения, пока конденсаторы С1 и С2 не заряжены, транзисторы оказываются в «линейном» усилительном режиме, когда резисторами R1 и R2 задается некоторый малый ток базы, он определяет в Вст раз больший ток коллектора, и напряжение на коллекторах несколько меньше напряжения источника питания за счет падения напряжения на резисторах нагрузки R3 и R4. При этом малейшие изменения коллекторного напряжения (хотя бы из-за тепловых флуктуаций) одного транзистора передаются через конденсаторы С1 и С2 в цепь базы другого.

Предположим, что коллекторное напряжение VT1 чуть-чуть понизилось. Это изменение передается через конденсатор С2 в цепь базы VT2 и немного его запирает. Коллекторное напряжение VT2 возрастает, и это изменение передается конденсатором С1 на базу VT1, он отпирается, его коллекторный ток возрастает, а коллекторное напряжение понижается еще больше. Процесс происходит лавинообразно и очень быстро.

В результате транзистор VT1 оказывается полностью открыт, его коллекторное напряжение будет не более 0,05...0,1 В, a VT2 - полностью заперт, и его коллекторное напряжение равно напряжению питания. Теперь надо ждать, пока перезарядятся конденсаторы С1 и С2 и транзистор VT2 приоткроется током, текущим через резистор смещения R2. Лавинообразный процесс пойдет в обратном направлении и приведет к полному открыванию транзистора VT2 и полному запиранию VT1. Теперь нужно ждать еще полпериода, нужные для перезарядки конденсаторов.

Время перезарядки определяется напряжением питания, током через резисторы Rl, R2 и емкостью конденсаторов Cl, С2. При этом говорят о «постоянной времени» цепочек Rl, С1 и R2, С2, примерно соответствующей периоду колебаний. Действительно, произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах дает время в секундах. Для номиналов, указанных на схеме рисунка 1 (360 кОм и 4700 пФ), постоянная времени получается около 1,7 миллисекунды, что говорит о том, что частота мультивибратора будет лежать в звуковом диапазоне порядка сотен герц. Частота повышается при увеличении напряжения питания и уменьшении номиналов Rl, С1 и R2, С2.

Описанный генератор весьма неприхотлив: в нем можно использовать практически любые транзисторы и изменять номиналы элементов в широких пределах. К его выходам можно подключать высокоомные телефоны, чтобы услышать звуковые колебания, или даже громкоговоритель - динамическую головку с понижающим трансформатором, например абонентский трансляционный громкоговоритель. Так можно организовать, например, звуковой генератор для изучения азбуки Морзе. Телеграфный ключ ставят в цепи питания, последовательно с батареей.

Поскольку два противофазных выхода мультивибратора в радиолюбительской практике нужны редко, автор задался целью сконструировать более простой и экономичный генератор, содержащий меньше элементов. То, что получилось, показано на следующем рисунке. Здесь использованы два транзистора с разными типами проводимости - п-р-п и р-n-р. Открываются они одновременно, коллекторный ток первого транзистора служит током базы второго.

Вместе транзисторы образуют также двухкаскадный усилитель, охваченный ПОС через цепочку R2,C1. Когда транзисторы запираются, напряжение на коллекторе VT2 (выход 1 В) падает до нуля, это падение передается через цепочку ПОС на базу VT1 и полностью его запирает. Когда конденсатор С1 зарядится до примерно 0,5 В на левой обкладке, транзистор VT1 приоткроется, через него потечет ток, вызывая еще больший ток транзистора VT2; напряжение на выходе начнет расти. Это возрастание передается на базу VT1, вызывая еще большее его открывание. Происходит вышеописанный лавинообразный процесс, полностью отпирающий оба транзистора. Через некоторое время, нужное для перезарядки С1, транзистор VT1 призакроется, поскольку ток через резистор большого номинала R1 недостаточен для его полного открывания, и лавинообразный процесс разовьется в обратном направлении.

Скважность генерируемых импульсов, то есть соотношение длительностей импульса и паузы, регулируется подбором резисторов R1 и R2, а частота колебаний - подбором емкости С1. Устойчивой генерации при выбранном напряжении питания добиваются подбором резистора R5. Им же в некоторых пределах можно регулировать выходное напряжение. Так, например, при указанных на схеме номиналах и напряжении питания 2,5 В (два дисковых щелочных аккумулятора) частота генерации составила 1 кГц, а выходное напряжение - ровно 1 В. Потребляемый от батареи ток получился около 0,2 мА, что говорит об очень высокой экономичности генератора.

Нагрузка генератора R3, R4 выполнена в виде делителя на 10, чтобы можно было снимать и меньшее напряжение сигнала, в данном случае 0,1 В. Еще меньшее напряжение (регулируемое) снимается с движка переменного резистора R4. Эта регулировка может оказаться полезной, если нужно определить или сравнить чувствительность телефонов, проверить высокочувствительный УНЧ, подав малый сигнал на его вход, и так далее. Если же таких задач не ставится, резистор R4 можно заменить постоянным или сделать еще одно звено делителя (0,01 В), добавив снизу еще резистор номиналом 27 Ом.

Сигнал прямоугольной формы с крутыми фронтами содержит широкий спектр частот - кроме основной частоты F, еще и ее нечетные гармоники 3F, 5F, 7F и так далее, вплоть до радиочастотного диапазона. Поэтому генератором можно проверять не только звуковую аппаратуру, но и радиоприемники. Конечно, амплитуда гармоник убывает с ростом их частоты, но достаточно чувствительный приемник позволяет прослушивать их во всем диапазоне длинных и средних волн.

Представляет собой кольцо из двух инверторов. Функции первого из них выполняет транзистор VT2, на входе которого включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Это сделано для повышения входного сопротивления первого инвертора, благодаря чему появляется возможность генерации низких частот при относительно небольшой емкости конденсатора С7. На выходе генератора включен элемент DD1.2, выполняющий роль буферного элемента, улучшающего согласование выхода генератора с испытуемой цепью.

Последовательно с времязадающим конденсатором (нужная величина емкости подбирается переключателем SA1) включен резистор R1, изменением сопротивления которого регулируется выходная частота генератора. Для регулировки скважности выходного сигнала (отношения периода импульса к его длительности) в схему введен резистор R2.

Устройство генерирует импульсы положительной полярности частотой 0,1 Гц...1 МГц и скважностью 2... 500. Частотный диапазон генератора разбит на 7 поддиапазонов: 0,1...1, 1 .10, 10...100, 100...1000 Гц и 1...10, 10...100, 100...1000 кГц, которые устанавливаются переключателем SA1.

В схеме можно использовать кремниевые маломощные транзисторы с коэффициентом усиления не менее 50 (например, КТ312, КТ342 и т. п.), интегральные схемы К155ЛНЗ, К155ЛН5.

Генератор прямоугольных импульсов на микроконтроллере на этой схеме, будет отличным пополнением в вашу домашнюю измерительную лабораторию.

Особенностью этой схемы генератора является фиксированное число частот, а точнее 31. И его можно применять в различных цифровых схемотехнических решениях, где требуется изменять частоты генератора автоматически или с помощью пятью переключателей.

Выбора той или иной частоты осуществляется с помощью посылки пятиразрядного двоичного кода на входе микроконтроллера.

Схема собрана на одном из самом распространенном микроконтроллере Attiny2313. Делитель частоты с регулируемым коэффициентом деления построен программно, используя частоту кварцевого генератора в роли опорной.

Генераторы импульсов предназначены для получения импульсов определенной формы и длительности. Они используются во многих схемах и устройствах. А также их используют в измерительной техники для наладки и ремонта различных цифровых устройств. Прямоугольные импульсы отлично подойдут для проверки работоспособности цифровых схем, а треугольной формы могут пригодиться для свип-генераторов или генераторов качающейся частоты.

Генератор формирует одиночный импульс прямоугольной формы по нажатию на кнопку. Схема собрана на логических элементах в основе которой обычный RS-триггер, благодаря ему также исключается возможность проникновения импульсов дребезга контактов кнопки на счетчик.

В положении контактов кнопки, как показано на схеме, на первом выходе будет присутствовать напряжение высокого уровня, а на втором выходе низкого уровня или логического нуля при нажатой кнопке состояние триггера поменяется на противоположное. Этот генератор отлично подойдет для проверки работы различных счетчиков

В этой схемы формируется одиночный импульс, длительность которого не зависит от длительности входного импульса. Используется такой генератор в самых разнообразных вариантах: для имитации входных сигналов цифровых устройств, при проверке работоспособности схем на основе цифровых микросхем, необходимости подачи на какое-то тестируемое устройство определенного числа импульсов с визуальным контролем процессов и т. д

Как только включают питание схемы конденсатор С1 начинает заряжается и реле срабатывает, размыкая своими фронтовыми контактами цепь источника питания, но реле отключится не сразу, а с задержкой, так как через его обмотку будет протекать ток разряда конденсатора С1. Когда тыловые контакты реле опять замкнутся, начнется новый цикл. Частота переключении электромагнитного реле зависит от емкости конденсатора С1 и резистора R1.

Использовать можно почти любое реле, я взял . Такой генератор можно использовать, например, для переключения елочных гирлянд и других эффектов. Минусом данной схемы является применение конденсатора большой емкости.

Другая схема генератора на реле, с принципом работы аналогичной предыдущей схеме, но в отличии от нее, частота следования равна 1 Гц при меньшей емкости конденсатора. В момент включения генератора конденсатор С1 начинает заряжаться, затем открывается стабилитрон и сработает реле К1. Конденсатор начинает разряжаться через резистор и составной транзистор. Через небольшой промежуток времени реле выключается и начинается новый цикл работы генератора.

В генераторе импульсов, на рисунке А, применены три логических элемента И-НЕ и униполярный транзистор VT1. В зависимости от значений конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 на выходе 8 генерируются импульсы с частотой 0,1 - до 1 МГц. Такой огромный диапазон объясняется применению в схеме полевого транзистора, что дало возможность использовать мегаомные резисторы R2 и R3. С помощью их можно менять также менять скважность импульсов: резистором R2 задается длительность высокого уровня, а R3 - длительность напряжения низкого уровня. VT1 можно взять любой из серий КП302, КП303. - К155ЛА3.

Если использовать вместо К155ЛА3 микросхемы КМОП например К561ЛН2 можно сделать широкодиапазонный генератор импульсов без использования в схеме полевого транзистора. Схема этого генератора показана на рисунке В. Для расширения количества генерируемых частот емкость конденсатора времязадающей цепи выбирается переключателем S1. Диапазон частот этого генератора 1ГЦ до 10 кГц.

На последнем рисунке рассмотрена схема генератора импульсов в которой заложена возможность регулировки скважности. Для тех кто забыл, напомним. Скважность импульсов это отношение периода следования (Т) к длительности (t):

Скважность на выходе схемы можно задать от 1 до нескольких тысяч, с помощью резистора R1. Транзистор работающий в ключевом режиме предназначен для усиления импульсов по мощности

Если есть необходимость высокостабильного генератора импульсов, то необходимо использовать кварц на соответствующую частоту.

Схема генератора показанная на рисунке способна вырабатывать импульсы прямоугольной и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3 цифровой микросхемы К561ЛН2. Резистор R2 в паре с конденсатором С2 образуют дифференцирующую цепь, которая на выходе DD1.5 генерирует короткие импульсы длительностью 1 мкс. На полевом транзисторе и резисторе R4 собран регулируемый стабилизатор тока. С его выхода течет ток заряжающий конденсатор С3 и напряжение на нем линейно увеличивается. В момент поступления короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, а конденсатор СЗ разряжается. Тем самым формируя пилообразное напряжение на его обкладках. Переменным резистором можно регулировать ток заряда конденсатора и крутизну импульса пилообразного напряжения, а также его амплитуду.

Вариант схемы генератора на двух операционных усилителях

Схема построена с использованием двух ОУ типа LM741. Первый ОУ используется для генерации прямоугольной формы, а второй генерирует треугольную. Схема генератора построена следующим образом:

В первом LM741 на инвертирующий вход с выхода усилителя подключена обратная связь (ОС) выполненная на резисторе R1 и конденсаторе C2, а на неинвертирующий вход также идет ОС, но уже через делитель напряжения, на базе резисторов R2 и R5. Выходной первого ОУ непосредственно связан с инвертирующим входом второго LM741 через сопротивление R4. Этот второй ОУ вместе с R4 и C1 образуют схему интегратора. Его неинвертирующий вход заземлен. На оба ОУ подаются напряжения питания +Vcc и –Vee, как обычно на седьмой и четвертый выводы.

Работает схема следующим образом. Предположим, что первоначально на выходе U1 имеется +Vcc. Тогда емкость С2 начинает заряжаться через резистор R1. В определенный момент времени напряжение на С2 превысит уровень на неинвертирующем входе, что расчитывается по формуле ниже:

V 1 = (R 2 / (R 2 +R 5))× V o = (10 / 20)× V o = 0.5× V o

Выходной сигнал V 1 станет –Vee. Так, конденсатор начинает разряжаться через резистор R1. Когда напряжение на емкости станет меньше напряжения, определяемого формулой, выходной сигнал снова будет + Vcc. Таким образом, цикл повторяется, и благодаря этому генерируются импульсы прямоугольной формы с периодом времени, определяемым RC-цепочкой, состоящей из сопротивления R1 и конденсатора C2. Эти образования прямоугольной формы также являются входными сигналами для схемы интегратора, который преобразует их в треугольную форму. Когда выход ОУ U1 равен +Vcc, емкость С1 заряжается до максимального уровня и дает положительный, восходящий склон треугольника на выходе ОУ U2. И, соответственно, если на выходе первого ОУ имеется –Vee, то будет формироваться отрицательный, нисходящий склон. Т.е, мы получаем треугольную волну на выходе второго ОУ.

Генератор импульсов на первой схеме построен на микросхеме TL494 отлично подходит для наладки любых электронных схем. Особенность этой схемы заключается в том, что амплитуда выходных импульсов может быть равна напряжению питания схемы, а микросхема способна работать вплоть до 41 В, ведь не просто так ее можно найти в блоках питания персональных компьютеров.

Разводку печатной платы вы можете скачать по ссылке выше.

Частоту следования импульсов можно изменят переключателем S2 и переменным резистором RV1, для регулировки скважности используется резистор RV2. Переключатель SA1 предназначен для изменения режимы работы генератора с синфазного на противофазный. Резистор R3 должен перекрывать диапазон частот, а диапазон регулировки скважности регулируется подбором R1, R2

Конденсаторы С1-4 от 1000 пФ до 10 мкФ. Транзисторы любые высокочастотные КТ972

Подборка схем и конструкций генераторов прямоугольных импульсов. Амплитуда генерируемого сигнала в таких генераторах очень стабильна и близка к напряжению питания. Но форма колебаний весьма далека от синусоидальной - сигнал получается импульсным, причем длительность импульсов и пауз между ними легко регулируется. Импульсам легко придать вид меандра, когда длительность импульса равна длительности паузы между ними

Формирует мощные короткие одиночные импульсы, которые устанавливают на входе или выходе любого цифрового элемента логический уровень, противоположный имеющемуся. Длительность импульса выбрана такой, чтобы не вывести из строя элемент, выход которого подключен к испытуемому входу. Это дает возможность не нарушать электрической связи испытуемого элемента с остальными.

Назначение этих устройств понятно из названия. С их помощью создают импульсы, которые обладают определёнными параметрами. При необходимости можно приобрести аппарат, изготовленный с применением фабричных технологий. Но в данной статье будут рассмотрены принципиальные схемы и технологии сборки своими руками. Эти знания пригодятся для решения разных практических задач.

Как выглядит генератор импульсов Г5-54

Необходимость

При нажатии клавиши электромузыкального инструмента, электромагнитные колебания усиливаются и поступают на громкоговоритель. Слышен звук определённого тона. В этом случае используется генератор синусоидального сигнала.

Для слаженной работы памяти, процессоров, других составных частей компьютера необходима точная синхронизация. Образцовый сигнал с неизменной частотой создаётся тактовым генератором.

Чтобы проверить работу счётчиков, других электронных устройств, выявить неисправности, применяют единичные импульсы с необходимыми параметрами. Такие задачи решают с помощью специальных генераторов. Обычный ручной переключатель не подойдёт, так как с его содействием не получится обеспечить определённую форму сигнала.

Параметры выходных сигналов

Перед выбором той или иной схемы, необходимо точно сформулировать цель проекта. На следующем рисунке приведён в увеличенном виде типичный прямоугольный сигнал.

Схема прямоугольного импульса

Его форма не является идеальной:

• Напряжение возрастает постепенно. Учитывают длительность фронта. Этот параметр определяется временем, за которое импульс вырастает от 10 до 90% амплитудной величины.
• После максимального выброса и возврата к исходному значению возникают колебания.
• Вершина – неплоская. Поэтому длительность импульсного сигнала замеряется на условной линии, которая проведена на 10% ниже максимального значения.

Также для определения параметров будущей схемы используют понятие скважности. Этот параметр вычисляется по следующей формуле:

• S – это скважность;
• T – период повторения импульса;
• t – длительность импульса.

При невысокой скважности кратковременный сигнал сложно фиксировать. Это провоцирует сбои в системах передачи информации. Если временное распределение максимумов и минимумов одинаковое, параметр будет равен двум. Такой сигнал называют меандром.

Меандр и основные параметры импульса

Для упрощения в дальнейшем будут рассмотрены только генераторы прямоугольных импульсов.

Принципиальные схемы

На следующих примерах можно понять принципы работы самых несложных устройств этого класса.

Схемы генераторов прямоугольных импульсов

Первая схема предназначена для формирования единичных прямоугольных импульсов. Она создана на двух логических элементах, которые соединены для выполнения функций триггера типа RS. Если кнопка находится в указанном положении, на третьей ножке микросхемы будет высокое напряжения, а на шестой – низкое. При нажатии уровни поменяются, но не возникнет дребезг контактов и соответствующие искажения выходного сигнала. Так как для работы требуется внешнее воздействие (в этом случае – ручное управление), это устройство не относится к группе автогенераторов.

Простой генератор, но выполняющий свои функции самостоятельно, изображён на второй половине рисунка. При подаче питания через резистор заряжается конденсатор. Реле срабатывает не сразу, так как после разрыва контакта, некоторое время течение тока через обмотку, обеспечивается зарядом конденсатора. После замыкания цепи этот процесс повторяется неоднократно, пока не будет отключено питание.

Изменяя номиналы сопротивления и конденсатора, можно наблюдать на осциллографе за соответствующими трансформациями частоты и других параметров сигнала. Такой генератор прямоугольных сигналов создать будет нетрудно своими руками.

Для того чтобы расширить диапазон частоты, пригодится следующая схема:

Генератор с изменяемыми параметрами импульсов

Чтобы реализовать план, двух логических элементов недостаточно. Но подобрать одну подходящую микросхему нетрудно (например, в серии К564).

Параметры сигнала, которые можно изменить регулировкой своими руками, другие важные параметры

Элемент принципиальной схемы	Предназначение и особенности
VT1	Этот полевой транзистор использован для того, чтобы в цепи обратной связи можно было применить резисторы с высоким сопротивлением.
C1	Допустимая ёмкость конденсатора – от 1 до 2 мкФ.
R2	Величина сопротивления определяет длительность верхних частей импульсов.
R3	Этот резистор – устанавливает длительность нижних частей.

Чтобы обеспечить стабильность частоты прямоугольных сигналов, используют схемы на кварцевых элементах:

Видео. Высоковольтный генератор импульсов своими руками

Чтобы своими руками было проще собрать генератор импульсов определённой частоты, лучше использовать универсальную монтажную плату. Она пригодится для экспериментов с разными принципиальными электрическими схемами. После приобретения навыков и соответствующих знаний, будет нетрудно создать идеальное устройство для успешного решения конкретной задачи.

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

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

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

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

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

Генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов релаксационного типа называется мультивибратором.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таким образом, .

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

.

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

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

.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.

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

.

Длительность фронта генерируемых импульсов определяется временем переключения логических элементов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.

Определив отсюда токи
и , условие насыщения запишем в виде:

.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.

Так как
, то . Длительность среза
.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Так как
, то
.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Отсюда получаем формулу для расчета длительности вершины импульса:

.

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

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

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

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

,

.

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

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

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

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

В соответствии с уравнением токов коллекторный ток транзистора определяется выражением
.

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

.

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

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

.

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

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

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

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

Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для первичного преобразования электрической энергии. Включает элек­трическую сеть переменного тока частотой 50 Гц, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, токоограничивающее устройство, аппа­ратуру защиты. В ГИТе выделяют зарядный и разрядный контуры, которые связаны между собой батареей конденсаторов. ГИТ, являю­щийся источником питания, связан с технологическим блоком через разрядный контур.

Импульсные генераторы характеризуются следую­щими основными параметрами: напряжением на батарее конденсаторов U, электрической емкостью батареи С, накопленной в конденсаторах энергией W н, энергией в импульсе W 0 частотой следования импульсов υ.

Назначение зарядного контура - заряжание батареи конденсаторов до заданного напряжения. Контур включает токоограничивающее устройство, повышающий трансформаторе и высоковольтный выпрямитель. Для выпрямления зарядного тока применяют селеновые или кремниевые столбы. Высоковольтным трансформатором исходное напряжение питающей сети 380/220 В повышается до (2-70) 10 3 В.

В схеме L - С – D имеем ή 3 > 50 %.

При применении генераторов импульсных токов значительны поте­ри энергии на стадии формирования разряда. Этого недостатка лишена распространенная система, в которой сочетаются генераторы импульсных токов и напряжения (рис. 30). В этой системе пробой формирующего промежутка производится за счет энергии конденсаторной батареи генератора напряжения, что создает токопроводящий канал в основном рабочем промежутке и обеспечивает выделение основной энергии разря­да в разрядном промежутке генератора импульсных токов.

Характерное для такой системы соотношение электрических напряжений и ем­костей составляет: » при где индекс 1 соответствует генератору напряжений, а индекс 2 - генератору токов. Так, к примеру

Энергетические и массогабаритные показатели генератора существенно зависят от высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Коэффициент полезного действия зарядно-выпрямительного устройства повышается при применении высоковольтных кремниевых столбов. Выпрямители имеют высокие характеристические показатели - удельный

объем от 0,03 до 0,28 м 3 /кВт и удельную массу 25-151 кг/кВт.

В электроимпульсных установках применяются также единые бло­ки, включающие трансформатор и выпрямитель, что уменьшает основ­ные размеры и упрощает коммутационную сеть.

Импульсные конденсаторы предназначены для накоп­ления электрической энергии. Высоковольтные импульсные конден­саторы должны обладать повышенной удельной энергоемкостью, малой внутренней индуктивностью и малым сопротивлением при больших токах разряда, способностью выдерживать многократные циклы заряд-разряд. Основные технические данные импульсных конденсаторов при­ведены ниже.

Напряжение (номинальное), кВ...................................5-50

Емкость (номинальная), мкФ. . ...................................0,5-800

Частота разряда, число импульсов/мин.......................1-780

Ток разряда, кА...............................................................0,5-300

Энергоемкость, Дж/кг....................................................4,3-30

Ресурс, число импульсов...............................................10 э - 3 10 7

Одной из основных характеристик импульсных конденсаторов, влияющей на размеры батареи и электроимпульсной установки в целом, является показатель удельной объемной энергоемкости

(3.23)

где Е н - накапливаемая энергия; V к - объем конденсатора.

Для существующих конденсаторов ω с = 20 -г 70 кДж/м 3 , что оп­ределяет повышенные размеры накопителей. Так объем батареи для Е н = 100 кДж составляет 1,5-5,0 м 3 . В накопителях установок кон­денсаторы соединяют в батареи, что обеспечивает суммирование их электрической емкости, которая равна 100-8000 мкФ.

Высоковольтные коммутаторы применяются для мгновенного выделения в технологическом узле электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Высоковольтные коммутаторы (разрядники)" выполняют две функции: отключают разрядную цепь

от накопителя при его заряжании; мгновенно включают накопитель в цепь нагрузки.

Возможны различные конструктивные схемы разрядников и соот­ветствующие этим схемам типы коммутаторов: воздушные, вакуум­ные, газонаполненные, контактные тарельчатые, игнитронные и тригатронные, с твердым диэлектриком.

Основные требования к коммутаторам следующие - выдерживать высоковольтное рабочее напряжение без пробоя, иметь малую индук­тивность и малое сопротивление, обеспечивать заданную частоту сле­дования импульса тока.

В лабораторных электроимпульсных установках применяются преимущественно разрядники воздушного типа, обеспечивающие ком­мутацию больших энергий при длительном сроке эксплуатации и имею­щие сравнительно простую конструктивную схему (рис. 31).

Разряд­ники этого типа имеют ряд существенных недостатков, ограничиваю­щих их применение: влияние состояния поверхности и состояния ат­мосферного воздуха (запыленности, влажности, давления) на стабиль­ность воспроизводимого импульса; образуются оксиды азота, оказы­вающие воздействие на человека; образуется мощное высокочастот­ное звуковое давление.

В промышленных передвижных установках распространение полу­чили механические тарельчатые коммутаторы (см. рис. 31, а). Разряд­ники этого типа просты по электрической схеме и конструктивному ис­полнению, надежны при транспортировке и работе на участках с пе­ресеченным рельефом, но требуют регулярной очистки поверхности тарельчатых элементов. I

В состав электроимпульсной установки входят также блоки управ­ления импульсным генератором и технологическим процессом, системы защиты и блокировок, вспомогательные системы, обеспечивающие ме­ханизацию и автоматизацию процессов в технологическом узле.

Блок управления включает электрические схемы запуска, блоки­ровки и схему формирования импульса синхронизации.

Система блокировки служит для «мгновенного отключения вы­соковольтного напряжения. Система контроля состоит из вольтметра и киповольтметра, указывающих соответственно напряжение сети и на батарее конденсаторов, из индикаторных ламп, звуковых сигналов, а также частотомера.

Технологический узел

Технологический узел предназначен для преобразования электри­ческой энергии в другие виды энергии и для передачи преобразованной энергии на объект обработки.

Применительно к специфике разрядно-импульсной технологии разрушения горных пород технологический узел включает: рабочую разрядную камеру, рабочий орган в виде элек­тродной системы или электрогидравлического взрывателя, устрой­ство для впуска и выпуска рабочей жидкости и устройство перемеще­ния электродов или взрывающегося проводника (рис. 32). Рабочая разрядная камера заполняется рабочей жидкостью или специальным диэлектрическим составом.

Разрядные (рабочие) камеры делят на открытые и закрытые, заглубленные и поверхностные, стационарные, перемешаю­щиеся и выносные. Камеры могут быть одноразовые и многоразовые; вертикальные, горизонтальные и наклонные. Тип и форма рабочей ка­меры должны обеспечивать максимальное выделение накопленной элек­трической энергии, максимальный к л.д. преобразования этой энергии в механическую, передачу этой энергии на объект обработки или в заданную его зону.

Рабочий технологический орган предназначен для непосредственного преобразования электрической энергии в механичес­кую и для ввода этой энергии в рабочую среду, а через нее - на объект обработки. Тип рабочего органа зависит от используемой в данном тех­нологическом процессе разновидности электрического разряда в жид­кости - при свободном формировании разряда рациональны электрод­ные системы (рис. 33, а); при инициируемом разряде - электрогид­равлический взрыватель с взрывающимся проводником (рис. 33,6).

Рабочий орган испытывает динамические нагрузки, действие элек­тромагнитного поля и ультрафиолетовых излучений, а также влияние рабочей жидкости.

Электродная система применяется при свободном формировании разряда. По конструктивному фактору выделяют стержневые линей­ные и коаксиальные системы. Наиболее просты по исполнению линей­ные (противостоящие или параллельные) системы с сочетаниями форм электродов острие - острие и острие - плоскость. Недостатками ли­нейных систем являются их значительная индуктивность (1-10 мкГн) и ненаправленность действия.

Более совершенны коаксиальные сис­темы, имеющие малую собственную индуктивность и большой к.п.д. преобразования накопленной электрической энергии в энергию плаз­мы. Недостаток коаксиальных систем - их малая надежность и недол­говечность. Электродная система является технологичной и высоко­производительной за счет высокой частоты процесса создания механи­ческих нагружающих усилий.

По числу повторных разрядов выделяют системы разового и мно­гократного действия. Более экономичны и производительны системы многократного действия. Величина энергии, преобразуемой электродной системой, также влияет на конструктивное исполнение и долговечность.

В горной промышленности большее применение получили электродные системы, рассчитанные на с часто­той следования импульсов 1-12 в минуту. При электрическом разря­де из-за тепловых процессов происходит эрозия электродов, интенсив­ность которой зависит от материала электродов и рабочей жидкости, а также от количества энергии, выделяющейся в

канале разряда. Ра­бочая часть электродов изготавливается из стали Ст3 или Ст45; диа­метр выступающей части должен быть более 8 мм при длине не менее 12 мм. В зоне электрода температура плавления железа достигается за 10 -6 с, а температура кипения за 5 10 -6 с.

Вызванное этим интенсивное разрушение электрода сопровождается образованием плазменных струй (паров и жидких капель металла). Ослабленной зоной электрода являет­ся изоляционный слой на границе выхода стержня - токовода и воды.

Основными требованиями к электродной системе являются: высо­кий коэффициент преобразования электрической энергии, высокие

эксплуатационные и технологические показатели, экономически целе­сообразная стойкость. Наибольшую эрозионную стойкость имеют элек­троды из сплава меди, карбида вольфрама и никеля.

Площадь поверхнос­ти катода должна превышать площадь анода в 60-100 раз, что 6 соче­тании с подачей положительного импульса напряжения на анод обес­печит снижение потерь энергии на стадии формирования разряда и по­высит к.п.д. системы. Рациональный материал изоляции - стеклоплас­тик, вакуумная резина, полиэтилен.

Электрогидравлический взрыватель применяет­ся при инициируемом разряде, воспринимает динамические нагрузки, воздействие сильноточных полей и рабочей жидкости, что приводит к разрушению корпуса, изоляции и электрода.

В электрогидравлическом взрывателе положительный электрод изолирован от корпуса; взры­вающийся проводник устанавливается между электродом и заземлен­ным корпусом, выполняющим роль отрицательного электрода.

В за­висимости от решаемых технологических задач применяются проводни­ки из меди, алюминия, вольфрама; размеры проводника в пределах диаметр 0,25-2 мм, длина 60-300 мм. Конструкция электрогидрав­лического взрывателя должна обеспечивать концентрацию энергии в требуемом направлении и формирование цилиндрического по форме фронта ударной волны, а также технологичность операций по установ­ке и замене взрывающегося проводника.

Для выполнения части этих требований необходимо, чтобы корпус электрогидравлического взры­вателя служил жесткой преградой Для распространяющегося фронта волн.

Это обеспечивается применением специальных кумулятивных вые­мок в корпусе взрывателя и определенного сочетания линейных разме­ров корпуса и проводника. Так, диаметр корпуса взрывателя должен в 60 раз и более превышать диаметр взрывающегося проводника.

В последние годы разработаны новые конструктивные схемы и спе­циальные устройства, повышающие эффективность действия рабочих органов, обеспечивающие направленность действия на объект обработ­ки образуемых волн и гидропотока.

К таким устройствам относят пас­сивные отражающие поверхности, электроды со сложной геометрией, генераторы расходящихся волн. Имеются также устройства для протяж­ки взрывающегося проводника, что осложняет конструкцию взрыва­теля, но повышает технологичность процесса.

Для непосредственного преобразования энергии электрического разряда в энергию импуль­са сжатия применяют специальные электровзрывные патроны (рис. 34).

Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, играет весьма существенную роль в процессе электрического разряда. Именно в жидкости воспроизводится разряд с непосредственным пре­образованием электрической энергии в механическую.

В жидкости наб­людается ионизация, а также газовыделение непрореагировавших кис­лорода и водорода (до 0,5 10 -6 м 3 /кДж), жидкость вовлекается в дви­жение распространяющимся фронтом волн, что образует в технологи­ческом узле гидропоток, способный совершать механическую работу.

В качестве рабочей жидкости применяется вода (техническая, мор­ская, дистиллированная) и водные электролиты; углеводородные (ке­росин, глицерин, масло трансформаторное) и силиконовые (полиметилсилоксаны) жидкости, а также специальные диэлектрические, жид­кие и твердые составы. Большее применение получила техническая вода, удельная электрическая проводимость которой составляет (1- 10) См/м.

Электрическая проводимость жидкости существенно влияет на ве­личину энергии, необходимой для формирования разряда, так как оп­ределяет величину пробойного напряжения и скорость движения стри­меров. Минимальная напряженность, при которой возникают стримеры, оценивается в 3,6 10 3 В/мм.

Значения удельной электрической проводимости (См/м) некото­рых жидкостей, применяемых для заполнения технологического узла, приведены ниже.

Техническая вода (водопроводная).........................................................(1-10) 10 -2

Морская вода.............................................................................................1-10

Дистиллированная вода............................................................................4,3 -10 -4

Глицерин.....................................................................................................6,4 10 -6

Видно, что диэлектрические жидкости имеют малую ионную про­водимость. Удельное электрическое сопротивление жидкости (р ж) оп­ределяет также величину электрического к.п.д. и зависит от величины энергии, вводимой в единицу объема рабочей жидкости. Так, для воды параметр р ж уменьшается с увеличением до значений 500-1000 кДж/ ; с дальнейшим возрастанием W 0 параметр р ж стабилизирует­ся в пределах 10-25 Ом-м.

Электрический разряд в жидкости зависит также от плотности ра­бочей жидкости - с увеличением плотности уменьшаются пик перена­пряжений и крутизна спада тока. Чтобы повысить величину напряжения разрядного контура, а соответственно величину напряжения пробоя, следует применять рабочие жидкости с низкой удельной проводимостью (пример - техническую воду).

Применение жидкостей с большей прово­димостью облегчает процесс образования скользящих разрядов; увеличивает потери энергии на стадии формирования канала и снижает амплитуду ударной волны.

В качестве рабочей жидкости используют также вязкие составы (веретенное масло - 70%, алюминиевый порошок - 20%, мел - 10%), что повышает на 20-25 % амплитуду ударной волны и снижает потери энергии.

В качестве диэлектрика применяют также металлизированную диэлектрическую нить и бумажные ленты, пропитанные электролитом. Ввод твердого диэлектрика уменьшает общие затраты энергии на про­бой (в 4-5 раз), снижает требуемое число стримеров (в 4-6 раз) , уменьшает термическую радиацию и ультрафиолетовое излучение. Введение в поток рабочей жидкости твердых частиц токопроводящих добавок применяют взамен взрывающихся проводников.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+