В радиолюбительской практике часто возникает потребность в настройке различных преобразовательных узлов схем, особенно если дело касается изобретательской деятельности, когда схема зарождается в голове. В такие моменты будет как нельзя кстати источник управляющего сигнала.
Представляю Вашему вниманию генератор сигнала прямоугольной формы .
Характеристики
Питание: 10 ÷ 15 В постоянного тока.
Три режима генерации:
1 – симметричный (меандр), дискретное переключение диапазонов генерируемых частот, плавная регулировка частоты внутри диапазона;
2 – независимый, дискретное переключение диапазонов генерируемых частот, плавная раздельная регулировка длительности импульса и паузы между импульсами внутри диапазона;
3 – широтно-импульсная модуляция (ШИМ), дискретный выбор частоты переключателем диапазонов, плавная регулировка скважности импульсов.
Два раздельных канала – прямой и инверсный.
Раздельная регулировка уровня выходного сигнала каналов от 0 В до значения напряжения источника питания при подключении высокоомной нагрузки, и до половины напряжения источника питания при подключении нагрузки с входным сопротивлением 50 Ом.
Выходное сопротивление канала примерно 50 Ом.
Базовые схемы
Для построения генератора за основу взята схема автогенератора на двух логических инверторах (рисунок 1). Принцип её работы основан на периодической перезарядке конденсатора. Момент переключения состояния схемы определяется степенью заряда конденсатора C1. Процесс перезаряда происходит через резистор R1. Чем больше ёмкость C1 и сопротивление R1, тем дольше происходит процесс заряда конденсатора, и тем больше длительность периодов переключения состояния схемы. И наоборот.
Для построения схемы генераторов в качестве логических элементов была взята микросхема с четырьмя элементами 2И-НЕ – HEF4011BP . Базовая схема, показанная выше, позволяет получать на выходе Q прямоугольный сигнал фиксированной частоты и скважности 50% (меандр). Для расширения возможностей устройства было принято решение объединить в нём три различных схемы, реализуемых на тех же двух логических инверторах.
Схема генератора меандра
Схема генератора меандра изображена на рисунке 2-а. Времязадающая ёмкость схемы может изменяться от значения C1 до суммарного значения C1 и ёмкости, подключаемой перемычкой П. Это позволяет изменять диапазон частот генерируемого сигнала.
Резистор R1 позволяет плавно изменять ток заряда (перезаряда) ёмкости. Резистор R2 является токоограничивающим, для исключения перегрузки выходного канала логического элемента DD1.1 в случае, когда ползунок резистора R2 находится в крайнем верхнем положение и его сопротивление приближено к нулю. Поскольку заряд и перезаряд конденсатора производится по одной цепочке с неизменными параметрами, длительности импульса и паузы между ними равны. Такой сигнал имеет симметричную прямоугольную форму и называется меандр. Регулировкой R1 изменяется только частота генерируемого сигнала в определённом диапазоне, заданном времязадающей ёмкостью.
Схема генератора прямоугольных импульсов с раздельной регулировкой длительности импульса и паузы
На рисунке 2-б цепь заряда и цепь перезаряда разделены диодами VD1 и VD2. Если импульс формируется во время заряда времязадающей ёмкости, его длительность характеризуется сопротивлением цепочки VD1-R2-R1. Длительность паузы между импульсами при обратном перезаряде ёмкости характеризуется сопротивлением цепи R1-R3-VD2. Так, изменяя положение ползунков резисторов R2 и R3 можно плавно раздельно задавать длительность импульса и паузы между ними.
Диапазон частот генерируемого сигнала, как и в первом случае, переключается перемычкой П.
Схема генератора с ШИМ
Схема на рисунке 2-в имеет аналогичное разделение цепей прямого и обратного заряда времязадающей ёмкости с той разницей, что переменные сопротивления являются плечами переменного резистора R2, которые имеют обратную зависимость параметров по отношению друг к другу. Т.е., при увеличении одного плеча резистора прямопропорционально уменьшается второе, а общая сума их сопротивлений постоянна. Таким образом, регулируя соотношение плеч резистора R2 можно плавно изменять соотношение длительности импульсов к длительности пауз между ими, а время периода следования импульсов будет оставаться неизменным. Этот способ регулировки позволяет реализовать функцию широтно- импульсной модуляции (ШИМ)
Частота генерируемого сигнала в данной схеме выбирается дискретно переключением перемычки П. При необходимости можно использовать несколько перемычек П для суммирования больших и малых значений ёмкостей, добиваясь более точной требуемой частоты генерации сигнала внутри всего диапазона.
Окончательная схема генератора
На рисунке 3 представлена схема генератора , в которой реализованы все три схемы, рассмотренные на рисунке 2. В основе генератора два логических инвертора на элементах DD1.1 и DD1.2. Выбор диапазона частот (частоты в режиме ШИМ) осуществляется переключением перемычки П.
Для сборки нужного варианта схемы генератора введены штыревые разъёмы, коммутируемые параллельными сборками перемычек, изображенных цветными линиями. Каждый цвет перемычек соответствует своей схеме соединений. Перемычки реализованы путём соединения пар контактов проволочками от шлейфа разъёма типа FC-10P A. Сами штыревые разъёмы расположены тремя группами по пять пар для удобства коммутации. Разъём-перемычки позволяет переключать режим генерации.
Элементы DD1.3 и DD1.4 выполняют роль инвертирующих повторителей и служат для развязки времязадающих и выходных цепей генератора для исключения их взаимовлияния. С выхода DD1.3 берётся инвертированный сигнал, с выхода DD1.4 – основной.
Резисторы R5 и R6 служат для регулировки уровня напряжения импульсов соответствующих каналов. Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме эмиттерного повторителя для усиления сигналов, снимаемых с ползунков резисторов R5 и R6 соответственно. Транзисторы VT3 и VT4 шунтируют выходные цепи своих каналов, подтягивая к минусу питания. Их роль важна при подаче сигнала генератора на нагрузку с наличием ёмкости, когда в бестоковую паузу необходим разряд этой ёмкости, как например при управлении полевыми транзисторами. Диоды VD5 и VD6 отделяют базовые цепи шунтирующих транзисторов от выхода генератора, исключая влияние ёмкостной нагрузки на работу этих транзисторов. Резисторы R9 и R10 необходимы для согласования выходов генератора с сопротивлением нагрузки 50 Ом, а также для ограничения максимального тока транзисторов выходных каскадов каналов.
Диод VD3 защищает схему от подключения питающего напряжения обратной полярности. Светодиод VD4 выполняет роль индикатора питания. Конденсатор C21 частично сглаживает пульсации при питании от нестабилизированного источника.
Особенности схемы
С целью уменьшения габаритов устройства для времязадающей ёмкости применены SMD конденсаторы C1-C20. При наименьшей ёмкости конденсатора C1=68 пФ генератор формирует сигнал частотой до 17÷500 кГц. При промежуточных значениях ёмкостей 3,3 нФ и 100 нФ генератор формирует сигналы в диапазонах частот 360÷20000 Гц и 6,25÷500 Гц соответственно. При наименьшей ёмкости С2=5,1 мкФ получается частота в диапазоне 0,2-10 Гц. Таким образом, при использовании всего четырёх конденсаторов можно перекрыть диапазонами частот интервал от 0,2 Гц до 500 кГц. Но при этом в режиме ШИМ будет доступна генерация сигнала всего четырёх значений частоты при использовании одной перемычки П. Поэтому, для улучшения характеристики генератора было принято решение ввести в схему 20 конденсаторов различной ёмкости с равномерным распределением значений по интервалам. Дополнительную точность установки частоты в режиме ШИМ можно получить, применяя несколько перемычек идентичных П, которые позволят корректировать частоту подключением емкостей меньших значений в сравнении с основной добавочной.
Питание схемы имеет некоторые ограничения. Не смотря на достаточно широкий диапазон напряжения питания микросхемы 3÷15 В, как показал опыт, при напряжении питания схемы ниже 9 В не происходит запуск генератора. При напряжении 9 В запуск не стабилен. Поэтому рекомендуется использовать источник питания 12÷15 В.
При напряжении питания 15 В, нагрузке сопротивлением 50 Ом подключенной к одному каналу генератора и максимальном выходном уровне сигнала, устройство потребляет не более 2,5 Вт мощности. При этом основная доля мощности рассеивается на нагрузке и согласующем выходном резисторе R9 (R10).
Не рекомендуется включать генератор на короткозамкнутую нагрузку, поскольку выходной транзистор при этом работает в предельном режиме. Это касается и тестирования схем с биполярными ключами, не имеющими в цепи базы ограничивающего резистора. В таких случаях рекомендуется уровень выходного сигнала снижать как минимум за половину оборота ручки резистора, а потом по мере необходимости добавлять.
В моём случае для варьирования частотных диапазонов генерации я использовал следующий ряд номиналов конденсаторов:
С1 - 68 пФ;
С2 - 100 пФ;
С3 - 220 пФ;
С4 - 330 пФ;
С5 - 680 пФ;
С6 - 1 нФ;
С7 - 2,2 нФ;
С8 - 3,3 нФ;
С9 - 9,1 нФ;
С10 - 22 нФ;
С11 - 33 нФ;
С12 - 47 нФ;
С13 - 82 нФ;
С14 - 100 нФ;
С15 - 220 нФ;
С16 - 330 нФ;
С17 - 510 нФ;
С18 - 1 мкФ;
С19 - 2,4 мкФ;
С20 - 5,1 мкФ.
Вы из каких либо соображений можете применить номиналы, отличные от указанных. Единственное ограничение, минимальная ёмкость не должна быть меньше 68 пФ, иначе генератор на этой ёмкости может просто не запуститься, либо начать автогенерацию в ненасыщающемся режиме, при котором форма сигнала не прямоугольная, а искажённый прямоугольник, стремящийся к синусоиде.
Красным цветом выделены номиналы, при которых перекрывается весь диапазон генерируемых частот.
Фотогалерея
Здесь показана укладка проводов-перемычек в разъём, собранный разъём и уже готовый разъём-перемычка с обрезанными проводниками.
На этих фото генератор с разных ракурсов
А это со стороны печатки. Качество дорожек получилось просто отвратительное, поэтому пришлось налудить так много олова.
А это, собственно, перемычка переключения диапазонов и перемычка переключения режимов. Чуть правее выдны гнёзда и штыри, которые эти перемычки коммутируют.
Печатную плату каждый может сделать под детали, которые есть в наличии. Кого интересует печатка моего варианта генератора, можете скачать архив по ссылке ниже. Там есть печатка в формате страници PDF, а так же в формате PCB для P-CAD версии не ниже 2010. Схема так же есть в архиве, можете не пытаться сохранять её со страницы, просто скачайте архив.
Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.
На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 - напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке - наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.
На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор - цикл повторяется.
Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток - необходимость использования конденсатора значительной емкости.
На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15...17 В и токе 20...50 мА.
В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 - длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1...2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 - 10...15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема - К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.
При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1...10 000 Гц. Микросхема - К561ЛН2.
Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» - включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:
На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.
Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):
Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.
Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема - К561ЛН2.
Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.
555 - аналоговая интегральная микросхема, универсальный таймер - устройство для формирования (генерации) одиночных и повторяющихся импульсов со стабильными временными характеристиками. Применяется для построения различных генераторов, модуляторов, реле времени, пороговых устройств и прочих узлов электронной аппаратуры. В качестве примеров применения микросхемы-таймера можно указать функции восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтры дребезга, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, импульсные преобразователи электроэнергии, устройства широтно-импульсного регулирования, таймеры и др.
В данной статье расскажу о построении генератора на этой микросхеме. Как написано выше мы уже знаем что микросхема формирует повторяющиеся импульсы со стабильными временными характеристиками, нам это и нужно.
Схема включения в астабильном режиме. На рисунке ниже это показано.
Так как у нас генератор импульсов, то мы должны знать их примерную частоту. Которую мы рассчитываем по формуле.
Значения R1 и R2 подставляются в Омах, C - в фарадах, частота получается в Герцах.
Время между началом каждого следующего импульса называется периодом и обозначается буковкой t. Оно складывается из длительности самого импульса - t1 и промежутком между импульсами - t2. t = t1+t2.
Частота и период - понятия обратные друг другу и зависимость между ними следующая:
f = 1/t.
t1 и t2 разумеется тоже можно и нужно посчитать. Вот так:
t1 = 0.693(R1+R2)C;
t2 = 0.693R2C;
С теорией закончили так что приступим к практике.
Разработал простенькую схему с доступными всем деталями.
Расскажу о ее особенностях. Как уже многие поняли, переключатель S2 используется для переключения рабочей частоты. Транзистор КТ805 используется для усиления сигнала (установить на небольшой радиатор). Резистор R4 служит для регулировки тока выходного сигнала. Сама микросхема служит генератором. Скважность и частоту рабочих импульсов изменяем резисторами R3 и R2. Диод служит для увеличения скважности(можно вообще исключить). Также присутствует шунт и индикатор работы, для него используется светодиод со встроенным ограничителем тока(можно использовать обычный светодиод ограничив ток резистором в 1 кОм). Собственно это все, далее покажу как выглядит рабочее устройство.
Вид сверху, видны переключатели рабочей частоты.
Снизу прикрепил памятку.
Данными подстроечными резисторами регулируется скважность и частота (на памятке видно их обозначение).
Сбоку выключатель питания и выход сигнала.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | ||
| Т1 | Биполярный транзистор | КТ805А | 1 | В блокнот | ||
| D1 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| С1 | Конденсатор | 1 нФ | 1 | В блокнот | ||
| С2 | Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | ||
| С3 | Конденсатор | 1000 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C4 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 500 Ом | 1 |
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). Конденсатор
за 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 тока
сопровождается 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 паузы
между 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 конденсатора
ток
.
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
.
Резистор
в 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 Напряжение
на входе ЛЭ2
по мере заряда конденсатора
|
|
(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
конденсатора
отЛЭ1
через резистор
.
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 –
эмиттертранзистора
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 коллекторного
токов 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
Длительность
импульса, определяемая экспоненциальным
процессом
заряда конденсатора
|
|
достигает значения
,
открывается
диод VD
,
и на этом
процесс изменения напряжения на
инвертирующем входе прекращается.
Схема оказывается в устойчивом
состоянии.
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 конденсаторе
достигает
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.
Как-то попросили меня сделать простую мигалку, чтоб реле управлять или маломощной лампочкой мигать. Собирать простейший мультивибратор, будь то симметричный или не симметричный, как-то банально, да и схема нестабильна и не совсем надежна, при том что работать она должна при напряжение 24 вольта в грузовом автомобиле, да и еще размеры иметь не слишком большие.
Схема
Поискав по сети схемы, решил по даташиту включить популярную микросхему NE555N. Прецизионный таймер, стоимость которого очень мала - порядка 10 рубликов за микросхему в дип корпусе! Но так как нагрузка у нас не совсем слабая, и может потребоваться большие токи относительно питания таймера, то нам нужен какой-то ключ, которым и будет управлять сам таймер.
Можно взять обычный транзистор, но он будет греться ввиду больших потерь из-за больших падений на переходах - поэтому взял высоковольтный полевой транзистор на несколько ампер тока, такому ключу при токе даже в 2 ампера не потребуется радиатор вообще.
Сам таймер 555 имеет ограничения в питающем напряжение - порядка 18 вольт, хотя уже и при 15 может смело вылететь, поэтому собираем цепочку из ограничительного резистора и стабилитрона с фильтрующим конденсатором по входу питания!
В схему введен регулятор, дабы можно было вращая ручку регулятора изменить частоту импульсов вспышки лампочки или срабатывания реле. Если же регулировка не требуется, можно подстроить частоту на нужные, замерить сопротивление и впаять потом готовое. На приведённой выше - сразу 2 регулятора, которыми меняется скважность (отношение включенного состояния выхода к выключенному). Если требуется соотношение 1:1 - убираем всё кроме одного переменного резистора.
Видео
Часть элементов выполнено в дип корпусах, часть в смд - для компактности и лучшей компоновки в целом. Схема генератора импульсов заработала после включения практически сразу, осталось только подстроить под нужную частоту. Плату желательно залить термоклеем или поставить в корпус из пластика, дабы автовладельцы не догадались ее прикрутить напрямую к корпусу или положить на что-то металлическое.