Blockerande oscillator
En blockerande oscillator (kallas ibland en pulsoscillator ) är en enkel konfiguration av diskreta elektroniska komponenter som kan producera en frigående signal, som endast kräver ett motstånd , en transformator och ett förstärkningselement som en transistor eller ett vakuumrör . Namnet kommer från det faktum att det förstärkande elementet är avstängt eller "blockerat" under större delen av arbetscykeln, och producerar periodiska pulser enligt principen om en avslappningsoscillator . Den icke-sinusformade utgången är inte lämplig för användning som en radiofrekvent lokal oscillator, men den kan fungera som en tidsgenerator för att driva lampor, lysdioder , Elwire eller små neonindikatorer. Om utgången används som en ljudsignal räcker de enkla tonerna också för applikationer som larm eller en morsekodövningsenhet . Vissa kameror använder en blockerande oscillator för att slå av blixten före ett skott för att minska effekten av röda ögon .
På grund av kretsens enkelhet ligger den till grund för många av lärandeprojekten i kommersiella elektroniska kit. Transformatorns sekundärlindning kan matas till en högtalare, en lampa eller lindningarna på ett relä. Istället för ett motstånd tillåter en potentiometer placerad parallellt med tidskondensatorn att frekvensen kan justeras fritt, men vid låga resistanser kan transistorn överstyras och eventuellt skadas. Utsignalen kommer att hoppa i amplitud och bli kraftigt förvrängd.
Kretsdrift
Kretsen fungerar på grund av positiv återkoppling genom transformatorn och involverar två gånger - tiden T stängs när strömbrytaren är stängd och tiden T öppnas när strömbrytaren är öppen. Följande förkortningar används i analysen:
- t, tid, en variabel
- T stängd : ögonblick i slutet av den stängda cykeln, början av öppen cykel. Även ett mått på tidslängden när strömbrytaren är stängd.
- T öppen : omedelbart i slutet av den öppna cykeln, början av den stängda cykeln. Samma som T=0. Även ett mått på tidslängden när strömbrytaren är öppen.
- V b , källspänning t.ex. V batteri
- V p , spänning över primärlindningen. En ideal omkopplare kommer att presentera matningsspänningen Vb över den primära, så i det ideala fallet Vp = Vb .
- V s , spänning över sekundärlindningen
- V z , fast lastspänning orsakad av t.ex. bakåtspänningen hos en zenerdiod eller framåtspänningen hos en lysdiod (LED).
- I m , magnetiserande ström i primären
- I peak, m , maximum eller "peak" magnetiseringsström i primären. Förekommer omedelbart innan T öppnas .
- N p , antal primärvarv
- N s , antal sekundära varv
- N, varvförhållandet definierat som Ns / Np , . För en idealisk transformator som arbetar under ideala förhållanden, I s = I p /N, V s = N×V p .
- L p , primär (själv)induktans, ett värde som bestäms av antalet primära varv Np i kvadrat och en "induktansfaktor" A L . Självinduktans skrivs ofta som L p = A L ×N p 2 ×10 −9 henries.
- R, kombinerat brytare och primärmotstånd
- U p , energi lagrad i magnetfältets flöde i lindningarna, som representeras av magnetiseringsströmmen I m .
En mer detaljerad analys skulle kräva följande:
- M = ömsesidig induktans, dess värde bestäms av graden till vilken magnetfältet som skapas av primären kopplar till (delas av) sekundären och vice versa. koppling. Koppling är aldrig perfekt; det finns alltid så kallat primärt och sekundärt "läckageflöde". Beräknas vanligtvis från kortslutning sekundära och kortslutna primära mätningar.
- L p,läcka = självinduktans som representerar det magnetiska fältet som skapas av och endast kopplas till primärlindningarna
- L s,läcka = självinduktans som representerar det magnetiska fältet som skapas av och kopplas endast till sekundärlindningarna
- C- lindningar = mellanlindningskapacitans. Värden finns endast för de primära varven, de sekundära varven endast och de primära-till-sekundära lindningarna. Vanligtvis kombineras till ett enda värde.
Drift under T stängd (tid då strömbrytaren är stängd)
När omkopplaren (transistor, vakuumrör) stänger placerar den källspänningen Vb över transformatorns primära. Transformatorns magnetiseringsström Im är Im = V primär ×t/ Lp ; här är t (tid) en variabel som börjar vid 0. Denna magnetiseringsström I m kommer att "rida på" all reflekterad sekundärström I s som flödar in i en sekundär belastning (t.ex. in i strömbrytarens kontrollterminal; reflekterad sekundärström i primär = I s /N). Den föränderliga primärströmmen orsakar ett föränderligt magnetfält ("flöde") genom transformatorns lindningar; detta föränderliga fält inducerar en (relativt) konstant sekundärspänning Vs = N× Vb . I vissa konstruktioner (som visas i diagrammen) adderas sekundärspänningen Vs till källspänningen Vb ; i det här fallet eftersom spänningen över den primära (under tiden som omkopplaren är stängd) är ungefär Vb, Vs = (N+1)× Vb . Alternativt kan omkopplaren få en del av sin styrspänning eller ström direkt från Vb och resten från de inducerade V: erna . Sålunda är strömbrytarens styrspänning eller ström "i fas", vilket betyder att den håller strömbrytaren stängd, och den (via strömbrytaren) upprätthåller källspänningen över den primära.
I fallet då det finns litet eller inget primärmotstånd och litet eller inget omkopplarmotstånd, är ökningen av magnetiseringsströmmen Im en "linjär ramp" definierad av formeln i första stycket. I fallet då det finns betydande primärresistans eller switchresistans eller bådadera (total resistans R, t.ex. primärspolresistans plus ett motstånd i emittern, FET-kanalresistans), orsakar Lp/R tidskonstanten att magnetiseringsströmmen blir en stigande kurva med ständigt avtagande lutning. I båda fallen kommer magnetiseringsströmmen Im att dominera den totala primärströmmen (och omkopplarströmmen Ip ) . Utan en limiter skulle den öka för alltid. Men i det första fallet (lågt motstånd) kommer omkopplaren så småningom inte att kunna "stödja" mer ström vilket innebär att dess effektiva motstånd ökar så mycket att spänningsfallet över omkopplaren är lika med matningsspänningen; i detta tillstånd sägs omkopplaren vara "mättad" (t.ex. bestäms detta av en transistors förstärkning hfe eller "beta"). I det andra fallet (t.ex. primär- och/eller emitterresistansdominerande) minskar den (minskande) lutningen för strömmen till en punkt så att den inducerade spänningen till sekundären inte längre är tillräcklig för att hålla omkopplaren stängd. I ett tredje fall mättas det magnetiska "kärnmaterialet", vilket betyder att det inte kan stödja ytterligare ökningar av dess magnetfält; i detta tillstånd misslyckas induktion från primär till sekundär. I alla fall sjunker ökningshastigheten för den primära magnetiseringsströmmen (och följaktligen flödet), eller ökningshastigheten för flödet direkt i fallet med mättat kärnmaterial, till noll (eller nära noll). I de första två fallen, även om primärströmmen fortsätter att flyta, närmar den sig ett konstant värde lika med matningsspänningen Vb dividerat med det totala motståndet R i primärkretsen. I detta strömbegränsade tillstånd kommer transformatorns flöde att vara konstant. Endast ändring av flöde orsakar induktion av spänning till sekundären, så ett konstant flöde representerar ett induktionsfel. Den sekundära spänningen sjunker till noll. Strömbrytaren öppnas.
Drift under T- öppning (tid då strömbrytaren är öppen)
Nu när omkopplaren har öppnat vid T open , är magnetiseringsströmmen i primären I peak,m = Vp × T sluten /L p , och energin Up lagras i detta "magnetiserande" fält som skapas av I peak, m (energi Um = 1/2 × L p × I topp, m2 ) . Men nu finns det ingen primär spänning (Vb ) för att upprätthålla ytterligare ökningar i magnetfältet, eller ens ett stationärt fält, varvid omkopplaren öppnas och därigenom tar bort den primära spänningen. Magnetfältet (flödet) börjar kollapsa och kollapsen tvingar energi tillbaka in i kretsen genom att inducera ström och spänning i de primära varven, de sekundära varven eller båda. Induktion till det primära kommer att ske via de primära varven genom vilka allt flöde passerar (representerat av primär induktans Lp ) ; det kollapsande flödet skapar primärspänning som tvingar ström att fortsätta att flyta antingen ut ur den primära mot den (nu öppna) omkopplaren eller in i en primär belastning såsom en lysdiod eller en zenerdiod, etc. Induktion till den sekundära kommer att ske via sekundära varv genom vilka det ömsesidiga (länkade) flödet passerar; denna induktion gör att spänning uppstår vid sekundären, och om denna spänning inte blockeras (t.ex. av en diod eller av den mycket höga impedansen hos en FET-grind), kommer sekundärström att flyta in i sekundärkretsen (men i motsatt riktning). I alla fall, om det inte finns några komponenter som absorberar strömmen, stiger spänningen vid omkopplaren mycket snabbt. Utan primärbelastning eller vid mycket begränsad sekundärström kommer spänningen att begränsas endast av lindningarnas fördelade kapacitanser (den så kallade interlindingskapacitansen), och den kan förstöra omkopplaren. När endast sammanlindningskapacitans och en liten sekundär belastning är närvarande för att absorbera energin, uppstår mycket högfrekventa svängningar, och dessa "parasitära svängningar" representerar en möjlig källa till elektromagnetisk interferens .
Sekundärspänningens potential vänder nu till negativ på följande sätt. Det kollapsande flödet inducerar primärström att flyta ut ur primärströmmen mot den nu öppna strömställaren, dvs. att strömma i samma riktning som den flödade när strömbrytaren stängdes. För att ström ska flyta ut ur omkopplaränden av primärenheten måste primärspänningen vid omkopplaränden vara positiv i förhållande till dess andra ände som är vid matningsspänningen Vb . Men detta representerar en primärspänning motsatt i polaritet till vad den var under tiden när omkopplaren var stängd: under T sluten var omkopplaränden på primärenheten ungefär noll och därför negativ i förhållande till matningsänden; nu under T öppen har den blivit positiv relativt V b .
På grund av transformatorns "lindningskänsla" (riktningen för dess lindningar) måste spänningen som uppträder vid sekundären nu vara negativ . En negativ styrspänning kommer att hålla omkopplaren (t.ex. bipolär NPN-transistor eller N-kanals FET) öppen , och denna situation kommer att kvarstå tills energin från det kollapsande flödet har absorberats (av något). När absorbatorn är i primärkretsen, t.ex. en zenerdiod (eller lysdiod) med spänningen Vz kopplad "bakåt" över primärlindningarna, är strömvågformen en triangel med tiden t öppen bestäms av formeln I p = I topp ,m - V z ×T öppen /L p , här är I peak, där m är primärströmmen vid den tidpunkt då omkopplaren öppnas. När absorbatorn är en kondensator är spännings- och strömvågformerna en 1/2 cykel sinusvåg, och om absorbatorn är en kondensator plus resistor är vågformerna en 1/2 cykel dämpad sinusvåg.
När äntligen energiurladdningen är klar, blir styrkretsen "oblockerad". Styrspänningen (eller strömmen) till omkopplaren är nu fri att "flyta" in i styringången och stänga omkopplaren. Detta är lättare att se när en kondensator "kommuterar" styrspänningen eller strömmen; den ringande oscillationen leder styrspänningen eller strömmen från negativ (omkopplaren öppen) genom 0 till positiv (brytaren stängd).
Upprepningsfrekvens 1/(T stängd + T öppen )
I det enklaste fallet är varaktigheten av den totala cykeln (T stängd + T öppen ), och därmed dess repetitionshastighet (den reciproka av cykelns varaktighet), nästan helt beroende av transformatorns magnetiseringsinduktans L p , matningsspänningen och belastningsspänningen Vz . När en kondensator och ett motstånd används för att absorbera energin, är upprepningshastigheten beroende av RC-tidskonstanten , eller LC-tidskonstanten när R är liten eller obefintlig (L kan vara L p , L s eller L p, s ).
Patent
- US- patent 2211852, inlämnat 1937, " blockerande oscillatorapparat ". (baserat runt ett vakuumrör ).
- US patent 2745012, inlämnat 1951, " Transistor blocking oscillators ".
- US patent 2780767, inlämnat 1955, " Kretsarrangemang för att omvandla en låg spänning till en hög likspänning" .
- US-patent 2881380, inlämnat 1956, " Spänningsomvandlare ".
Se även
Fotnoter
-
Millman, Jacob; Taub, Herbert (1965). "16. Blockerande oscillatorkretsar". Puls-, digital- och switchande vågformer: Enheter och kretsar för deras generering och bearbetning . McGraw-Hill. s. 597–621, Se sid. 616. problem 924–9. LCCN 64-66293 . OCLC 896642528 .
I själva verket är den enda väsentliga skillnaden mellan den avstämda oscillatorn och den blockerande oscillatorn i tätheten av kopplingen mellan transformatorlindningarna.
- Petit, Joseph; McWhorter, Malcolm (1970). "7. Kretsar som innehåller induktorer eller transformatorer". Elektroniska omkopplings-, tidtagnings- och pulskretsar (2:a upplagan). McGraw-Hill. s. 180–218. LCCN 78-114292 . Särskilt §7-13 Den monostabila blockerande oscillatorn" s. 203ff och §7-14 Den astabila blockerande oscillatorn s. 206ff.
- Millman, Jacob; Halkias, Christos (1967). Elektroniska enheter och kretsar . McGraw-Hill. ISBN 0-07-042380-6 . För en avstämd version av den blockerande oscillatorn, dvs en krets som kommer att göra ganska sinusvågor om den är rätt utformad, se 17-17 "Resonant-Circuit Oscillators" s. 530–2.
- Langford-Smith, F. (1968) [1953]. Radiotron Designer's Handbook (4:e upplagan). Wireless Press (Wireless Valve Company Pty., Sydney, Australien) tillsammans med Radio Corporation of America. OCLC 705976463 .
externa länkar
- Calvert, James B. (2002). "Den blockerande oscillatorn" . Elektronikindex . Denver University. En elementär (ingen matematik) och informativ beskrivning av olika blockerande oscillatorkretsar, med hjälp av BJT och trioder .
- McDonald, J. (1964). "Kretsmodeller för att förutsäga växlingsprestanda för nanosekundsblockerande oscillatorer". Transaktioner på kretsar och system . 11 (4): 442–8. doi : 10.1109/TCT.1964.1082353 . Ett papper som härleder några kretsmodeller för att förutsäga omkopplingsprestanda för BJT- blockerande oscillatorer.