Лавина в транзисторе

Среди множества уже знакомых вам электронных устройств есть, пожалуй, одно, о котором мы упоминали чаще всего. Это мультивибратор. Используется он обычно в качестве автоматического переключателя или источника импульсных сигналов. Но вот что интересно: оказывается, у мультивибратора имеется серьезный конкурент — блокинг-генератор. Долгое время инженеры-электронщики никак не могли решить, кому из них отдать пальму первенства. Так и соседствовали рядом эти два непохожих друг на друга генератора. Что же за соперник оказался у мультивибратора? Расскажем об этом подробнее.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный усилитель с сильной положительной обратной связью. В таком электронном устройстве всего два главных «действующих лица». Это усилительный элемент — чаще всего транзистор, работающий в ключевом режиме, и трансформатор, одна из обмоток которого подсоединена к цепи обратной связи. Конечно, блокинг-генератор содержит и другие элементы — резисторы, конденсаторы, иногда диоды, но их роль второстепенна.

Чем же хорош такой генератор? В первую очередь максимальной простотой. Но, несмотря на свою простоту, он может генерировать импульсы в очень широком диапазоне частот — от долей герца до десятков кГц. А если у трансформатора, стоящего в цепи обратной связи, намотать повышающую выходную обмотку, можно получать выходной сигнал с очень большой амплитудой — при этом никакие дополнительные усилительные каскады не нужны.

Название блокинг-генератора произошло от английского слова «blocking», одно из значений которого переводится как соединять, совмещать. Данное определение как нельзя лучше подходит к этому электронному устройству — ведь в нем удачно соединились свойства усилителя и генератора.

А теперь посмотрите на рисунок 1, где изображена принципиальная схема простейшего блокинг-генератора. В нем всего четыре элемента — транзистор, трансформатор, резистор и конденсатор. Обмотка I трансформатора включена в цепь обратной связи, а обмотка II — в коллекторную цепь транзистора. Конденсатор задает частоту генерации, а резистор Rб создает необходимое напряжение смещения на базе транзистора. Нагрузка Rн подключена к генератору через выходную обмотку III трансформатора.

На рисунке 2 показаны временные диаграммы базового и коллекторного токов, а также напряжения на коллекторе транзистора. Они помогут нам лучше понять процессы, происходящие в блокинг-генераторе.

После включения питания через обмотку I трансформатора начинает заряжаться конденсатор. Это приводит к появлению слабого тока в базовой цепи транзистора, и он приоткрывается. Возникающий коллекторный ток за счет усиления во много раз превышает базовый. При этом с обмотки II на обмотку I трансформатора наводится сильная ЭДС. Конденсатор начинает заряжаться быстрее, а ток базы увеличивается еще больше. Далее, в результате усиления, в свою очередь, еще больше возрастает коллекторный ток. Не правда ли, этот процесс похож на падение с горы снежной лавины, которая по пути увлекает за собой все большую снежную массу? Именно по этой аналогии быстрое нарастание коллекторного тока в транзисторе стали называть лавинообразным. В тот момент, когда конденсатор полностью зарядится, транзистор входит в насыщение, и лавинообразное возрастание тока прекращается. Его величина становится на некоторое время постоянной. При этом напряжение на коллекторе транзистора падает практически до нуля.

Теперь конденсатор начинает разряжаться через переход «база — эмиттер» транзистора, поскольку сопротивление этого перехода незначительно. В результате снижается коллекторный ток, что приводит к возникновению в обмотке I трансформатора ЭДС, которая еще больше ускоряет разряд конденсатора. В тот момент, когда он разрядится полностью, транзистор закроется, ток в цепи коллектора прекратится, а напряжение на коллекторе вновь увеличится до первоначального значения.

Далее описанные процессы повторяются заново. Более того, за счет существования в блокинг-генераторе сильной обратной связи импульсы вырабатываются им непрерывно.

Работу транзистора и трансформатора в блокинг-генераторе можно сравнить с игрой теннисистов на спортивном корте. Словно два игрока, поочередно подающих мяч на площадку соперника, транзистор и трансформатор обмениваются «подачами» — порциями электроэнергии, взаимно стимулируя работу друг друга. Каждая «подача» — импульс, который снимается с выходной обмотки III трансформатора и поступает в нагрузку Rн. «Поединок» транзистора и трансформатора в блокинг-генераторе прекращается лишь после отключения питания.

Блокинг-генераторы чаще всего применяются в автоматике, цифровой и импульсной технике. Многие годы они использовались в электронно-вычислительных машинах первых поколений.

К сожалению, у блокинг-генераторов наряду с несомненными достоинствами выявились и ряд серьезных недостатков. С развитием электроники и появлением микросхем стало очевидным, что блокинг-генераторы проигрывают мультивибраторам, созданным на базе ИМС, в габаритах, массе, быстродействии; требуют больших усилий на изготовление. На рубеже 60-х годов с этими недостатками уже невозможно было мириться, так как быстро развивающаяся автоматика, импульсная и вычислительная техника нуждались во все более миниатюрных, легких, недорогих элементах, обладающих высочайшей скоростью обработки и передачи информации. И тогда инженеры-электронщики отдали свое предпочтение мультивибраторам, которые стали постепенно вытеснять блокинг-генераторы из радиоэлектронной техники.

Конечно, это не означает, что о блокинг-генераторах в конце концов забыли совсем. Конструкторы-любители придумали ему много новых «профессий». Об одной из них мы и хотим рассказать: предлагаем собрать на основе блокинг-генератора оригинальный электромузыкальный инструмент.

«Изюминка» игрушки в том, что у нее отсутствует клавиатура. На корпусе ЭМИ имеются всего две металлические пластины. Если прикоснуться к ним пальцами, игрушка «зазвучит». Однако, прежде чем познакомить вас с техникой исполнения мелодий на таком музыкальном инструменте, расскажем о его конструкции.

На рисунке 3 показана принципиальная схема ЭМИ. Как видите, он очень прост, содержит всего несколько радиоэлементов и представляет собой один из вариантов схемы блокинг-генератора. Этот прибор отличается от рассмотренного выше тем, что один из выводов обмотки I трансформатора Т1 соединен непосредственно с базой транзистора VT1, а конденсатор С1, ранее стоявший в базовой цепи, теперь включен между вторым выводом обмотки I и общим проводом питания. Кроме того, p-n-p транзистор заменен на полупроводниковый прибор с n-p-n структурой.

Расскажем, как работает такой ЭМИ. После включения питания тумблером SA1 генератор «молчит», так как резистор R1 «оторван» от «плюсового» провода питания, и на базе транзистора VT1 отсутствует напряжение смещения. Если теперь одновременно коснуться руками металлических пластин-сенсоров Е1 и Е2, между «плюсовым» проводом питания и базой VT1 образуется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных подстроечного резистора R1 и вашего тела, выполняющего в данном случае роль постоянного резистора. Напряжение смещения через образовавшуюся цепь поступает на базу VT1. Что происходит дальше? Возникают те же самые процессы, о которых мы уже рассказывали, знакомясь с работой блокинг-генератора. Конденсатор С1 периодически заряжается и разряжается, и в такт ему открывается и закрывается транзистор VT1. Генерируемые импульсы поступают в обмотку II Т1, а электрический сигнал снимается с обмотки III и преобразуется динамической головкой ВА1 в звуковые колебания определенной тональности.

От чего зависит тональность звучания ЭМИ? От величины сопротивления вашего тела, включенного между сенсорами Е1 и Е2. А оно, в свою очередь, определяется площадью и плотностью контакта пальцев ваших рук с металлическими пластинами. Чем больше эта площадь, чем плотнее вы прижали руки к сенсорам, тем меньше будет величина сопротивления в цепи управления. При этом генератор будет вырабатывать сигнал высокой частоты. Если руки прижаты неплотно или не по всей поверхности сенсоров, сопротивление в цепи управления станет большим, а тональность звучания ЭМИ будет низкой. Немного тренировки, и на таком музыкальном инструменте можно научиться исполнять несложные мелодии.

После того как вы познакомились с работой игрушки, можно приступать к ее сборке. Транзистор, трансформатор, подстроечный резистор и конденсатор размещаются на монтажной плате размером 40X25 мм. Ее лучше всего изготовить из фольгированного гетинакса или текстолита толщиной 1—2 мм. Чертеж такой платы и схема расположения на ней деталей — на рисунке 4.

В игрушке можно использовать следующие радиоэлементы. Транзистор — любой из серий КТ601 — КТ603, КТ608, КТ801. Конденсатор — марки КМ5, КМ6, К73 или любой другой малогабаритный. Подстроечный резистор — типа СП3-1. Динамическая головка — мощностью 0,1—0,5 Вт с сопротивлением звуковой катушки 4—10 Ом. Тумблер — малогабаритный, например МТ или МТД. Батарея питания напряжением 9 В — «Корунд».

Трансформатор необходимо изготовить самостоятельно. Его каркас (рис. 5) склеен из плотной бумаги. В качестве сердечника подойдет круглый ферритовый стержень марки 400НН или 600НН Ø 8 мм и длиной 20 мм.

Установив сердечник внутрь цилиндра, приклейте к нему с обеих сторон два круглых плоских диска Ø 22 мм. Их можно вырезать из картона толщиной 1 мм. В одном из дисков сделайте шесть отверстий Ø 1 мм и вставьте в них короткие отрезки медного луженого провода — выводы будущего трансформатора.

Обмотки I и II содержат по 600 витков провода ПЭЛ 0,1 или ПЭВ 0,1, намотанного внавал. Обмотка III состоит из 300 витков провода ПЭЛ 0,3 или ПЭВ 0,3, также намотанного внавал. Концы обмоток подпаяйте к выводам таким образом, чтобы при установке трансформатора на плате обмотки соединялись с соответствующими токопроводящими дорожками. Полученную катушку оберните несколькими слоями плотной бумаги для предотвращения механических повреждений проводов.

ЭМИ собирается в пластмассовом корпусе размером 100X65X40 мм. Для этой цели подойдет, например, обычная мыльница. На верхней панели корпуса установите динамическую головку и сенсор Е2. Отверстие под «динамик» закройте тканью или тонким листом цветной бумаги. Сенсор Е2 представляет собой тонкую латунную или медную пластину размером 55X25 мм. Тумблер закрепите на правой боковой стенке корпуса. На верхней его панели размещается сенсор Е1. Он выполнен из того же материала, что и Е2, и имеет размеры 20Х10 мм. Монтажная плата и батарея питания крепятся на дне корпуса.

Игрушка не нуждается в налаживании. При правильном монтаже и исправных деталях она начинает работать сразу после включения питания. Дополнительную подстройку диапазона генерируемых частот в небольших пределах можно выполнить вращением движка резистора R1.

В заключение познакомьтесь с техникой исполнения на таком музыкальном инструменте. Возьмите игрушку в левую руку так, чтобы указательный палец был плотно прижат к сенсору Е1, включите тумблером питание. При прикосновении пальцами правой руки к сенсору Е2 в динамической головке раздастся звук. Чем больше площадь контакта пальцев с сенсором Е2, тем выше звук и наоборот. Если убрать правую руку, ЭМИ будет молчать.

В. ЯНЦЕВ