Проектирование генератора пилообразного напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Проектирование генератора пилообразного напряжения с параметрами:

Введение

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) и тока находят широкое применение в автоматике, телевидении, технике связи и других областях прикладной электроники.

Генераторами называют устройства, которые вырабатывают электрические сигналы посредством преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний .

Генераторы могут работать в режиме самовозбуждения или ждущем режиме, когда период следования импульсов пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения колебания вырабатываются устройством без приложения к нему дополнительного сигнала.

Напряжение пилообразной формы - это напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем возвращается к исходному уровню (рисунок 1).

Рисунок 1 Вид пилообразного напряжения

Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим или линейно падающим. Характеризуется основными параметрами: линейностью рабочего участка выходного напряжения; длительностями прямого (рабочего) и обратного хода ; амплитудой выходного напряжения

1. Принципы построения генераторов пилообразного напряжения

Независимо от практической реализации все ГНП можно представить в виде единой эквивалентной схемы (рисунок 2).

В нее входит источник питания E, зарядный резистор R, который можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника питании, конденсатор С - накопитель энергии, электронный ключ К и разрядный резистор r сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению замкнутого ключа.

Рисунок 2 Эквивалентная схема генератора пилообразного напряжения

В исходном состоянии ключ К замкнут и на конденсаторе устанавливается начальный уровень напряжения

.

При размыкании ключа конденсатор начинает разряжаться через и напряжение на нем меняется по экспоненциальному закону

,

где - постоянная времени цепи зарядки конденсатора.

За время, равное длительности прямого хода , напряжение на конденсаторе увеличивается до амплитудного значения и становится равным

.

Через время прямого хода ключ замыкается, и конденсатор разряжается. Напряжение на конденсаторе при этом изменяется по закону

,

где - постоянная времени цепи разрядки конденсатора.

На практике зарядное сопротивление существенно больше разрядного, что обуславливает восстановление начального уровня напряжения на конденсаторе за время малое по сравнению с длительностью прямого хода.

На рисунке 3 показана схема простейшего ГПН на биполярном транзисторе.

Рисунок 3 Простейший генератор пилообразно напряжения

Получение пилообразного напряжения основано на формировании последовательности перезарядов конденсатора.

Если транзистор закрыт, происходит заряд конденсатора в течение времени , когда транзистор переходит в режим насыщения, осуществляется быстрый разряд конденсатора через открытые переходы транзистора в течение времени обратного хода .

Во время заряда, напряжение на конденсаторе равно

, .

Коэффициент нелинейности в данном случае равен

,

где , - скорости напряжения в начале рабочего хода и в конце. Для рассматриваемого примера

поэтому, коэффициент нелинейности равен

.

Коэффициент нелинейности можно выразить через значения токов. Если учесть, что

то можно записать.

2. Расчетная часть

2.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора пилообразного напряжения

Вышерассмотренные генераторы пилообразного напряжения не удовлетворяют требуемым параметрам курсовой работы. Рассмотрим высококачественную схему генератора пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью, которая позволяет получить линейно-изменяющееся напряжение с коэффициентом нелинейности, равным единицам или даже десяткам долям процента.

Рисунок 4 Генератор пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью

В исходном состоянии транзистор V1 заперт небольшим положительным напряжением на базе U+БЭ, которая обеспечивается надлежащим выбором напряжения вспомогательного источника EБ, сопротивлений резисторов R1 и R2 и внутреннего сопротивления открытого диода V2. При этом правая по схеме обкладка конденсатора C1 имеет отрицательный потенциал, близкий к -Eк, а левая обкладка - положительный потенциал, равный потенциалу базы запертого транзистора.

Входной импульс отрицательной полярности с длительностью , равной длительности рабочего хода пилообразного напряжения запирает диод V2. При этом транзистор отделяется от источника EБ, а база через резистор R1 от источника Eк приобретает некоторый отрицательный потенциал .

Рисунок 5 Временные диаграммы

Величина скачка напряжения на базе с приходом запускающего импульса составляет

.

Отрицательный скачок напряжения на базе через конденсатор C1 передается на коллектор, из - за чего напряжение на коллекторе понижается на такую же величину (рисунок 5).

После отпирания транзистора конденсатор C1 начинает заряжаться через резистор R1, источник Eк и открытый транзистор V1. Ток разряда конденсатора равен

При разряде напряжение UC на конденсаторе C1 снижается. Однако при этом потенциал базы UБЭ = UC - UКЭ становится более отрицательным, коллекторный ток увеличивается, а коллекторное напряжение UКЭ по абсолютной величине уменьшается. Поэтому напряжение UБЭ остается практически неизменным, а это, в свою очередь, означает, что величина тока разряда конденсатора Iр поддерживается также неизменной . Таким образом, роль отрицательной обратной связи между коллектором и базой транзистора (через конденсатор C1) проявляется в том, что уменьшение тока разряда конденсатора вызывает противодействие схемы, препятствующее этому изменению тока. В результате можно считать, что

то есть разряд конденсатора осуществляется практически постоянным током.

Следствием разряда конденсатора C1 в течение рабочего хода почти по линейному закону является почти линейное уменьшение напряжение на конденсаторе C1 и, соответственно, почти линейное возрастание напряжения UКЭ, являющегося выходным напряжением генератора.

После того как на входе заканчивается действие запирающего импульса, диод V2 открывается, а транзистор V1 вновь запирается, и напряжение на коллекторе и баз постепенно достигает значений, соответствующих исходному состоянию. Следует отметить, что отрицательная обратная связь действует только при работе транзистора в усилительном режиме, когда он открыт. Поэтому в течение времени tи.вх, когда напряжение на коллекторе по абсолютной величине уменьшается, должна быть исключена вероятность перехода транзистора в режим насыщения.

Длительность рабочего хода генерируемых пилообразных импульсов определяется длительностью входных импульсов; длительность обратного хода - временем заряда конденсатора C1

,

где - прямое сопротивление открытого диода V2.

Коэффициент нелинейности генератора с отрицательной обратной связью равен

2.2 Расчет генератора пилообразного напряжения

При расчете генератора пилообразного напряжения задаются: длительность рабочего и обратного хода генерируемых импульсов; требуемая амплитуда импульсов и допустимый коэффициент нелинейности . В результате расчета должны быть определены параметры элементов схемы генератора.

Определим напряжение источника коллекторного питания

Зададимся напряжением вспомогательного источника EБ и амплитудой входного запускающего импульса Uи.вх, EБ выбирают в пределе (2…3) В, Uи.вх > EБ, Uи.вх должен быть больше EБ.

EБ = 2,5 В, Uи.вх = 4 В

По найденному напряжению выбираем тип транзистора. Необходимо чтобы

,

где - максимально допустимое напряжение выбранного типа транзистора

Определим сопротивление резистора в цепи коллектора в соответствии с неравенством

По стандартному ряду E24 выбираем = 1000 Ом

Определим сопротивление резистора

где - коэффициент использования напряжения источника питания = (0,85…0,95), - коэффициент передачи тока.

По стандартному ряду E24 выбираем = 1300 Ом

Определим емкость конденсатора C1

По стандартному ряду E6 выбираем = .

Для определения параметров диода нужно вычислить максимальный прямой импульсный ток. Рассмотрим переходной процесс в цепочке R3C1. Импульсный ток будет состоять из свободной и принужденной составляющих.

Найдем корень характеристического уравнения, p.

генератор пилообразный напряжение транзистор

Максимально допустимый прямой ток диода должен быть больше прямого импульсного тока при заряде конденсатора в начальный момент времени, то есть когда он максимален.

Определим прямое сопротивление открытого диода (определяется из ВАХ диода).

Определим сопротивление резистора

Определим значение тока который потечет через R1, R2 и открытый диод.

Определим мощность которая выделится на R1, R2, R3

2.3 Выбор элементов генератора пилообразного напряжения

Выберем транзистор МП25Б ГОСТ 20003 - 74.

Выберем резисторы: R1 ВСа - 0,125 Вт 1300 Ом ГОСТ 2825 - 67, R2 ВСа - 0,125 Вт 100 кОм ГОСТ 2825 - 67, R3 ТВО - 10 Вт 1000 Ом ГОСТ 2825 - 67.

Выберем конденсатор С1 К53-4 15В - 6,8 мкФ ОЖО 460.037 ТУ

Выберем диод Д2В ГОСТ 25529 - 82.

Заключение

В работе были рассмотрены основные принципы построения генераторов пилообразного напряжения.

На основе проведенного анализа подходов для реализации схем генераторов предложена электрическая принципиальная схема ГПН, обеспечивающая следующие параметры:

- коэффициент нелинейности - %;

- время рабочего хода - мс;

- время обратного хода - мс;

- амплитуда выходного сигнала В.

При построении схемы использовались компоненты отечественного производства.

Список литературы

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов/ Гусев В.Г., Гусев Ю. М. ? 3-е изд. - М.: Высшая школа 2004 - 790 с.

2. Гершунский Б. С. Спарвочник по расчету электронных схем - Киев : Вища школа. Изд - во при Киев. Ун - те , 1983.- 240 с.

3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. - 10 - е изд. - М.: Гардарики , 2002.- 638 с.

4. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А.Зайцев и др.; Под ред. Н.Н. Горюнова.- М.: Энергоиздат, 1982.- 744 с.

5. Диоды: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев.- М.: Радио и связь, 1990.- 656 с.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А.А.Зайцев, А.И.Миркин, В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомедова - М.: Радио и связь, 1989.- 640 с.

Размещено на Allbest.ru