Генератори лінійно-змінної напруги

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЕНЕРАТОРИ ЛІНІЙНО-ЗМІННОЇ НАПРУГИ

1. Генерування пилкоподібних імпульсів

генератор імпульс напруга фантастрон

Генератори лінійно-змінної напруги (ГЛЗН), тобто напруги, що зростає пропорційно часу, знаходять широке застосування в радіоелектронних приладах. Вони використовуються, наприклад, у осцилографах для створення горизонтальної розгортки електронного променя. Такі періодичні імпульси лінійно-змінної напруги мають вигляд зубців пилки, тому подібні імпульси називають пилкоподібними (рис.7.1).

Створити імпульси за формою близькою до пилкоподібних можна за допомогою найпростішої схеми, зображеної на рис.7.2.

Короткий позитивний прямокутний імпульс (1) відкриває транзистор, який постійно утримується в закритому стані негативною напругою . Цим імпульсом ємність повністю розряджається через відкритий транзистор. Після закінчення імпульсу (1) транзистор закривається, і ємність починає поволі заряджатися через опір від джерела за законом

(7.1)

Для досить малих проміжків часу експоненту можна розкласти в ряд, зберігаючи лише перші члени

(7.2)

Отже, обірвавши процес заряджання досить рано, при , можна одержати майже лінійне зростання напруги у часі, але ціною неповного використання напруги та мализни . Мірою відхилення закону зміни від лінійного є другий член у дужках виразу (7.2), який називають коефіцієнтом нелінійності .

Покращити форму імпульсів та наблизити їх до дійсно пилкоподібних можна застосувавши замість резистора деякий нелінійний опір, струм якого слабко залежить (в певних межах) від спаду напруги на цьому опорі, тобто елемент з великим диференціальним опором . Тоді струм, що заряджає ємність, буде майже незмінним і напруга на ній зростатиме пропорційно до часу

А коефіцієнт нелінійності дорівнюватиме . Таким нелінійним опором може бути транзистор, увімкнений за схемою зі спільною базою, або струмове дзеркало.

2. ГЛЗН з позитивним зворотним зв'язком

Недоліком розглянутої вище схеми ГЛЗН є недостатня лінійність та порівняно вузькі межі вихідної напруги, у яких ця лінійність може вважатися задовільною. Тому для покращання лінійності генерованих імпульсів застосовуються спеціальні схеми зі зворотним зв'язком, наприклад, схема з позитивним зворотним зв'язком. Ідею роботи такої схеми можна зрозуміти з рис.7.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ця схема подібна до попередньої, тільки тепер заряджання ємності відбувається від джерела постійної напруги та послідовно увімкненого з ним джерела змінної напруги , яке повторює величину напруги на ємності . Тепер при зростання напруги настільки ж зростає і напруга, що його заряджає. Спад напруги на опорі підтримується незмінним і рівним , отже і струм , що через нього буде текти та заряджати ємність, буде також зберігатися незмінним.

Реальна схема, що працює за цим принципом, зображена на рис.7.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

У початковому стані транзистор , що виконує роль ключа, відкритий і знаходиться у насиченому стані. Комутуючий діод відкритий. Початкова напруга на конденсаторі мала, так само як і вхідна і вихідна напруга емітерного повторювача, складеного на транзисторі . Конденсатор має велику ємність і заряджений майже до напруги через діод.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При поданні на вхід схеми негативного керуючого імпульсу тривалістю транзистор закривається, і конденсатор починає заряджатися від джерела через резистор і діод . Напруга на виході емітерного повторювача починає відповідно зростати. Ця зміна через ємність передається в точку «б», потенціал якої є сума напруг . В міру заряджання конденсатора потенціал точки «б» за абсолютною величиною стає більшим від , діод закривається, і конденсатор продовжує заряджатися через резистор вже від вихідної напруги емітерного повторювача та конденсатора , який завдяки своїй великій ємності працює просто як гальванічна батарея з ерс близької до .

При цьому зарядний струм зберігається майже незмінним, бо наскільки зростає напруга , настільки ж збільшується напруга . Це забезпечується тим, що коефіцієнт передачі емітерного повторювача близький до одиниці.

Коли ж напруга та наближатимуться до , колекторно-емітерна напруга живлення транзистора стає настільки малою, що емітерний повторювач перестає нормально функціонувати, і лінійність зростання порушується. На цьому процес створення лінійно-зростаючого імпульсу слід припинити, що і обумовлює потрібну тривалість вхідного керуючого імпульсу .

По закінченню вхідного імпульсу починається стадія відновлення, протягом якої конденсатор розряджається через відкритий транзистор . Наприкінці цього розряду діод відкривається і починається дозарядження конденсатора від джерела через діод та резистор . Після відновлення заряду на схема набуває свій попередній стан і готова до генерації наступного імпульсу.

Для кількісного аналізу роботи даної схеми ГЛЗН складемо вираз для зарядного струму ємності

Відгалуженням струму на вхід емітерного повторювача нехтуємо, вважаючи його вхідний опір дуже великим.)

Звідси низкою нескладних перетворень одержуємо диференціальне рівняння для

Його розв'язком буде

Одержаний вираз подібний до (7.1). Тільки тепер стала часу буде у разів більшою від попередньої. У стільки ж разів збільшується начебто і напруга, яка заряджає ємність . В результаті при тій же коефіцієнт нелінійності буде в разів меншим від попереднього. Так, наприклад, якщо взяти як типове для емітерного повторювача значення , то лінійність покращується в 20 разів.

3. ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком

Іншим варіантом покращання роботи ГЛЗН є застосування негативного зворотного зв'язку.

Ідея роботи цієї схеми полягає в тому, що вихід підсилювача через конденсатор з'єднується з його входом (рис.7.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вважається, що підсилювач має коефіцієнт підсилення і при тому інвертує фазу сигналу. Отже зворотний зв'язок через ємність буде негативним. Вхідний опір підсилювача вважається великим ( струм на вхід підсилювача не відгалужується), а вихід залишається ненавантаженим.

Нехай конденсатор заряджається через опір від джерела напруги . При цьому зарядний струм має зменшуватися, а потенціал точки «а» підвищуватися. Але оскільки підсилювач інвертує вхідний сигнал, його вихідна напруга має зменшуватися. Це зниження через ємність передається в точку «а» і її потенціал має зменшуватися майже настільки ж, наскільки зростає напруга на ємності (бо .

В ідеалі, незважаючи на зміни напруги , потенціал точки «а» повинен ані збільшуватися, ані зменшуватися . Тоді і спад напруги на опорі має зберігатися незмінним, а отже і струм , що протікає через нього і ємність , має зберігатися незмінним і призводити до лінійності зростання у часі напруги . Все це може тривати доти, доки не наблизиться до такого низького рівня, що підсилювач перестає нормально функціонувати. На цьому процес лінійного зростання припиняється.

Ці міркування можна підтвердити нескладним розрахунком. Очевидно, що , а . Звідси випливає, що і при великих напруга майже не змінюється при змінах . Отже і струм зберігається майже незмінним при змінах , яке має при цьому зростає за лінійним законом.

Це забезпечується тим, що і при великих наскільки заряджається ємність, настільки ж зменшується і «уходить вниз» потенціал точки «б» на виході підсилювача.

Вплив негативного зворотного зв'язку через ємність можна більш докладно проаналізувати, скориставшись визначенням для напруги .

З рис.7.5. очевидно, що заряджувальний струм дорівнює

(7.3)

Оскільки ж , рівняння (7.3) перепишеться у вигляді Тут і далі береться з абсолютною величиною.

Після певних спрощень останнього виразу одержуємо диференціальне рівняння для

Його розв'язком буде

Отже, і тут стала часу збільшується в разів, а заряджувальна напруга буде начебто у разів більшою від . Це призведе до відповідного зменшення коефіцієнт нелінійності у разів.

Реальна схема ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком зображена на рис.7.6а. Негативний зворотний зв'язок здійснюється тут за допомогою конденсатора , увімкненого між колектором і базою транзистора. В коло бази увімкнені резистор , джерело напруги та діод . Схему запускають за допомогою позитивних прямокутних імпульсів.

У початковому стані діод відкритий, а транзистор закритий негативною напругою, що створюється джерелом . Конденсатор заряджений до напруги .

Размещено на http://www.allbest.ru/

При потраплянні на вхід позитивного керуючого імпульсу достатньої величини діод закривається, транзистор відкривається (завдяки опору ) і починається процес розряджання ємності через транзистор, джерело і резистор . В момент надходження керуючого імпульсу потенціал бази транзистора трохи збільшується (приблизно на ) .Оскільки напруга на ємності не може миттєво змінитися, цей стрибок напруги передається в коло колектора, де стрибком збільшується на таку ж величину.

Завдяки дії негативного зворотного зв'язку конденсатор розряджається, як було доведено вище, майже постійним струмом. При цьому напруга лінійно зменшується, а напруга також лінійно збільшується, але на дуже малу величину. Гарантією лінійності цих процесів є великий коефіцієнт підсилення , що його забезпечує транзистор.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Робоча стадія закінчується після закінчення керуючого імпульсу. Транзистор через діод закривається, а ємність заряджається від джерела через резистори , , джерело та відкритий діод. Після закінчення заряду ємності схема готова до нового циклу.

Так буде все гаразд, якщо напруга у своєму зниженні не наблизиться до нуля настільки, що транзистор увійшов у режим насичення. Зрозуміло, що тоді лінійний процес зміни припиниться. Так буде, якщо керуючий імпульс буде занадто довгим. Отже його треба припиняти, не доводячи транзистор до насичення.

Описана схема дозволяє одержувати імпульси лінійно змінної напруги, величина яких майже дорівнює напрузі живлення . І при тому завдяки великому коефіцієнту підсилення мати коефіцієнт нелінійності менше одного відсотку.

4. Фантастрон

Певним недоліком розглянутих вище ГЛЗН з позитивним або негативним зворотним зв'язком є те, що для своєї роботи вони потребують прямокутних керуючих імпульсів, тривалість яких має бути узгодженою з часом досягнення робочим транзистором насиченого стану. При меншій тривалості керуючого імпульсу не уся напруга живлення буде використаною для формування пилкоподібного імпульсу. А при більших тривалостях робочий транзистор входить у насичення, і лінійна зміна вихідної напруги переходить у горизонтальну ділянку (рис.7.6б).

Тому кращим у цьому сенсі є так званий фантастрон - схема ГЛЗН, що працює у очікувальному режимі і запускається коротким пусковим імпульсом. А імпульс, що керує робочим транзистором і визначає тривалість і амплітуду пилкоподібного імпульсу, виробляє сама схема.

Цикл роботи фантастрона складається з п'яти стадій:

· стану спокою, коли схема готова до спрацьовування і очікує на пусковий імпульс;

· стадії запуску, протягом якої схема у лавиноподібному режимі переходить від стану спокою до робочого стану;

· робочої стадії, протягом якої відбувається розрядження робочої ємності і виробляється пилкоподібний імпульс напруги;

· стадії зворотного перекидання, коли схема знову ж таки лавиноподібно виходить з робочої стадії;

· стадії відновлення, протягом якої заряд робочої ємності відновлюється, і схема встановлюється у стан спокою.

Один з варіантів схеми фантастрона зображено на рис. 7.7.

Генерація пилкоподібного імпульсу протягом робочої стадії відбувається через внутрішній негативний зворотний зв'язок, що охоплює робочий транзистор , подібно до того, як це робилося у розглянутій вище схемі ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком. А лавиноподібні процеси запуску та зворотного перекидання здійснюється через позитивний зворотний зв'язок, який створюється через кола допоміжних транзисторів та .

Початкова стадія (стадія спокою).

Елементи схеми (тобто опори, що входять до її складу) підібрані так, щоб транзистори та знаходилися у насиченому стані. Тоді можна вважати, що напруги на всіх їх електродах (колекторі, базі та емітері) однакові, і ці транзистори начебто «стягуються» в одну точку. Напруга , створювана резистором , передається на емітер , а на його базу подається ця ж сама напруга, але поділена дільником . Отже напруга на базі буде меншою (нижчою), ніж на його емітері, і транзистор буде закритий.

Запуск фантастрона.

Запуск фантастрона здійснюється коротким негативним імпульсом , що надходить через розділовий конденсатор , діод та ємність на базу транзистора . Транзистор прикривається, напруга на його колекторі стає позитивнішою, що призводить до прикривання транзистора (бо його базова напруга фіксована дільником ). Напруга на колекторі зростає, це призводить до збільшення напруги на базі , і останній відкривається. Позитивний приріст напруги на базі буде більший, аніж позитивний приріст на його емітері, бо останній підсилюється транзистором , хоча і дещо зменшується дільником .

Відкривання призводить до зменшення напруги на його колекторі. Це зменшення передається через ємність на базу . Виникає позитивний регенеративний процес, в результаті якого транзистор закривається, а транзистори та залишаються відкритими. Весь колекторний струм транзистора протікає тепер через транзистор .

Робоча стадія.

У розглянутій вище схемі ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком ємність була увімкнена безпосередньо між колектором і базою робочого транзистора (рис.7.6.). У схемі фантастрона в міру зарядження ємності через резистор зміни (зростання) потенціалу точки «а» (див.рис.7.5), підсилені транзистором , подаються у інвертованій полярності на емітер . Але оскільки базовий потенціал фіксований дільником , то можна вважати, що зміна напруги на колекторі знову ж таки у інвертованому вигляді подаються на базу і тим самим відтворюють зміни напруги точки «а». Отже через транзистори та утворюється негативний зворотний зв'язок, який і стабілізує струм розрядження ємності . Таким чином на робочій стадії схема фантастрона зводиться до розглянутого вище ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком. Імпульс напруги, що лінійно змінюється (знижується) у часі може бути знятий з колектора .

Зворотне перекидання.

Протягом робочої стадії потенціал точки «а» поволі (але не сильно) зростає, а напруга на колекторі відповідно знижується. Робоча стадія закінчується у той момент, коли напруга знизиться так, що стане меншою від (яка визначається дільником ). База стане позитивнішою від його емітера і транзистор відкриється. Зниження потенціалу на його колекторі передасться на базу і останній почне закриватися. Напруга зростатиме, це зростання через ємність передасться на базу . Напруга на його колекторі почне знижатися, що призведе до ще дужчого відкривання . Утворюється позитивний зворотний зв'язок через транзистори , та . Цей процес буде розвиватися лавиноподібно доти, доки транзистор не закриється, а та не відкриються до насичення.

Стадія відновлення.

На стадії відновлення конденсатор заряджається від джерела через резистор та базово-емітерний перехід транзистора . Напруга на експоненційно прямує до зі сталою часу . Якщо фіксуючий потенціал , то процес заряджання ємності припиниться коли доросте до напруги (яка встановлюється потенціометром ). Тоді діод відкривається, і фантастрон стає знову готовий до сприймання пускового імпульсу. При цьому транзистори та будуть відкриті до насичення, а - закритий. Отже схема встановлюється у початковий стан.

Оскільки напругою можна регулювати початковий потенціал та заряд ємності , то таким чином можна встановлювати тривалість робочої стадії фантастрона (а разом з цим і величину згенерованого пилкоподібного імпульсу).

Контрольні питання до розділу «Генератори лінійно - змінної напруги»

Які імпульси називають пилкоподібними? Чому в них така назва?

За яким загальним принципом працюють генератори лінійно - змінної напруги?

Чому у ГЛЗН, схема якого зображена на рис.7.2а, величина генерованого імпульсу має бути набагато меншою від напруги живлення ?

Як можна покращати форму імпульсів, генерованих схемою, що зображена на рис.7.2а?

Удоскональте схему ГЛЗН з попередньої задачі, увімкнувши замість опору струмове дзеркало.

В чому полягає ідея роботи ГЛЗН з позитивним зворотним зв'язком?

Навіщо в схемі, зображеній на рис.7.4а, потрібний діод ?

З яких міркувань обирається в цій схемі ємність ?

Чим визначається тут оптимальна тривалість керуючого імпульсу ? Що буде, якщо тривалість буде меншою або більшою від оптимальної?

Яким процесом визначається тривалість етапу відновлення схеми з рис.7.4?

Доведіть, що струм , який заряджає ємність в схемі, зображеній на рис.7.5, зберігається майже незмінним у часі?

Для чого в схемі, зображеній на рис.7.6, встановлено діод?

До якого рівня може безперешкодно знижуватися напруга на виході ГЛЗН, зображеного на рис.7.6?

Яким процесом визначається час відновлення схеми, зображеній на рис.7.6?

Які переваги має фантастрон порівняно з попередньо розглянутими ГЛЗН?

В якому стані знаходяться транзистори в схемі фантастрона, що перебуває в стані спокою?

Як відбувається запуск фантастрона?

У якому стані перебувають транзистори в схемі фантастрона на його робочій стадії (тобто коли він генерує пилкоподібний імпульс)? Проведіть аналогію з ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком (рис.7.6а).

Чим визначається тривалість пилкоподібного імпульсу, утворюваного фантастроном?

Як можна регулювати тривалість імпульсів, утворюваних фантастроном?

Задачі до розділу «Генератори лінійно - змінної напруги»

У генераторі пилкоподібних імпульсів, схема якого зображена на рис.7.2а, ,. Якої величини будуть генеровані імпульси? Який в них коефіцієнт нелінійності?

У генераторі пилкоподібних імпульсів, дані про якого містяться в попередній задачі, опір відкритого до насичення транзистора складає . Якою має бути тривалість імпульсу, зо відкриває транзистор?

У скільки разів можна у схемі ГЛЗН з позитивним зворотним зв'язком збільшити тривалість імпульсу порівняно зі схемою, зображеною на рис.7.2а, щоб коефіцієнт нелінійності не перевищував 2%. Яким буде при цьому величина генерованих імпульсів? Коефіцієнт передачі емітерного повторювача . Величини та такі ж. як і в задачі №1.

У схемі ГЛЗН з негативним зворотним зв'язком (рисм.7.6а) . Коефіцієнт підсилення . Напругу можна знижувати до напруги насичення транзистора . Якою має бути при цьому тривалість керуючого імпульсу? Яким буде коефіцієнт нелінійності?

Размещено на Allbest.ru