Генератори пилкоподібної напруги

Генератори можуть працювати в режимі самозбудження або режимі очікування, коли період проходження імпульсів пилкоподібної напруги визначається запускають імпульсами.

Пилкоподібною напругою називають електричні коливання (імпульси), які виробляються за допомогою перетворення енергії джерела постійного струму в енергію електричних коливань.

Напруга пилкоподібної форми - це напруга, яке протягом певного часу наростає або зменшується пропорційно часу (лінійно), а потім повертається до початкового рівня (рис. 1).

Мал. 1. Параметри ПН

Пилкоподібна напруга може бути лінійно наростаючим або лінійно падаючим і характеризується основними параметрами:

- длительностями прямого (робочого)

і зворотного ходу

- амплітудою вихідного напруги

- період повторення Т

- початковий рівень U0

- коефіцієнт нелінійності E, що характеризує ступінь відхилення реального пилкоподібної напруги, від напруги змінюється за лінійним законом.

Vmax = при t = 0 і Vmin = при t = tпр - швидкості зміни пилкоподібної напруги відповідно на початку і в кінці прямого ходу.

Незалежно від практичної реалізації всі типи ДПН можна представити у вигляді єдиної еквівалентної схеми (рис.2)

У неї входить джерело живлення E, зарядний резистор R, який можна розглядати як внутрішній опір джерела харчування, конденсатор С - накопичувач енергії, електронний ключ К і розрядний резистор r опором, рівним внутрішньому опору замкнутого ключа.

Мал. 2. Еквівалентна схема ДПН

У початковому стані ключ До замкнутий і на конденсаторі встановлюється початковий рівень напруги

При розмиканні ключа конденсатор починає розряджатися через розрядний резистор r і напруга на ньому змінюється за експоненціальним законом

де

- постійна часу ланцюга зарядки конденсатора.

В даний час ДПН з малим значенням коефіцієнта нелінійності і його незначною залежністю від опору навантаження створюють на основі інтегральних підсилювачів.

Генератор на основі ОУ як правило будуються за схемою інтегратора (для малих коефіцієнтів нелінійності і низкоомной навантаженням).

Пропонована схема і діаграми її роботи мають вигляд рис.2:

У цій схемі вихідна напруга являє собою посилене операційним підсилювачем напруга на конденсаторі С. ОУ охоплений як (R1, R2, джерело Е0), так і (R3, R4, джерело Е3). Управління роботою ДПН здійснюється за допомогою транзистора VT1

Управління роботою ДПН здійснюється за допомогою ключового пристрою (КУ) на транзисторі VT1.

Ключове пристрій може бути реалізовано на біполярному транзисторі, керований імпульсами позитивної полярності.

Транзистор (КУ) насичений (відкритий) при позитивних напівперіодах Uвх. а при негативних знаходиться в режимі відсічення (закритий), при цьому фронт пилкоподібних напруг буде формуватися в момент часу дія негативного імпульсу на вході (КУ). У паузах між вхідними імпульсами транзистор закритий, і конденсатор заряджається струмом

від істочнікаE. і резистор R3.

напруга

, утворене на конденсаторі, надходить на неінвертуючий вхід операційного підсилювача, що працює в лінійному режимі з коефіцієнтом посилення по неінвертуючий вхід

В результаті на виході підсилювача створюється напруга

, а на резістореR4 - напруга, рівне

яке створює струм

, протікає через конденсатор в тому ж напрямку, що і струм

Отже, струм зарядки конденсатора в паузах між вхідними імпульсами дорівнює

У міру зарядки конденсатора струм

зменшується, а напруга на конденсаторі і на вході операційного підсилювача збільшуються. Якщо коефіцієнт посилення по інвертується входу більше одиниці, то напруга на резістореR4 і протікає через нього струм

також збільшуються. При підборі коефіцієнта посилення можна забезпечити високу лінійність пилкоподібної напруги.

Розглянемо роботу ДПН на прикладі нашої схеми для формування необхідної тривалості зворотного ходу доповнимо еммітерной ланцюг транзистора VT1 опором R6. Опір R5 обмежує струм бази транзистора в режимі насичення. Розглянемо процеси відбуваються в даній схемі. Нехай на вході діє імпульс тривалості

, приводить до відмикання транзистора. За умови, незначного падіння напруги на відкритих переходах транзистора, напруга на конденсаторі в початковий момент часу, приблизно дорівнює падінню на сопротівленііR6

В силу зворотного зв'язку, струм колектора транзистора дорівнює

У свою чергу, струми через відповідні опору визначаються виразами

Амплітуда імпульсу

повинна бути більше величини

При цьому на виході схеми є постійний рівень напруги рівний

У момент часу

транзистор закривається, і конденсатор починає заряджатися. Процеси, що протікають в схемі, описуються наступними рівняннями

введемо позначення

, тоді отримане рівняння можна переписати у вигляді

Це неоднорідне диференціальне рівняння першого порядку, рішення якого має вигляд

Постійну інтегрування знайдемо з початкових умов (1). Оскільки в початковий момент часу

, то

, отже, (8) можна записати, як

Тоді напруга на виході буде змінюватися за законом

тут

має таке ж значення, що і раніше.

Оскільки напруга на виході системи через час робочого ходу повинна дорівнювати величині

, де

- амплітуда пилкоподібної напруги, то, вирішуючи (9) щодо часу, отримаємо

Аналогічно для ланцюга розряду, беручи до уваги що і

Розрахунок схеми.

Для правильної роботи схеми потрібно, щоб коефіцієнт посилення по інвертується входу був більше одиниці. нехай

, виберемо резісторR2 на номінал 20 ком, тоді R1 = 10 кОм.

Розрахуємо коефіцієнт посилення по неінвертуючий вхід.

Потрібно забезпечити коефіцієнт нелінійність 0,3%. тоді постійна часу заряду конденсатора повинна бути не менше величини

Тоді напруга на виході буде змінюватись за законом:

Так якщо задати

В, то

= 1067

тоді К = = = 0,014 за умови напруги живлення в ланцюзі транзистора 15 В.

Беручи до уваги отримані раніше позначення, розрахуємо опір співвідношення опорів R3 і R4

Задамося опором в ланцюзі колектора транзистора R3 = 10 кОм, тоді отримуємо, що R4 = 20 кОм.

У свою чергу з, отже, ємність конденсатора складе близько 224 пФ, вибираємо 220 пФ.

Перейдемо до розрахунку ланцюга розряду. Для ланцюга розряду справедливо

Підставами в (13) формули з (11), дозволимо щодо R6, отримаємо

Звідки випливає, при підстановці чисельних значень, що R6 = 2 мОм.

Отримаємо вираз для часу зворотного ходу

Якщо вираз (9) продифференцировать за часом і помножити на С1, то коефіцієнт нелінійності напруги, буде визначатися формулою

Виходячи з проведених досліджень, перейдемо до розрахунку параметрів і вибору елементів схеми.

Струм, що протікає в момент, коли транзистор відкривається, через опір R6 оцінимо виходячи з таких міркувань. У момент перемикання всю напругу на конденсаторі докладено до опору, тому через нього потече струм

мкА.

Як ключ можна використовувати транзистор з відповідними параметрами типу КТ342Б. Резистор R5, що обмежує струм бази, виберемо близько 1 кОм. Оскільки максимальний струм колектора 50 мА, а коефіцієнт посилення по току 200, то струм насичення бази буде дорівнює 250 мкА, отже на резисторі напруга складе 0,25 В. Приймемо напруга насичення база-емітер - 1 В. Падіння напруги на опорі R6, при максимальному струмі протікає через R3 і R4 доданому до R6 складе 6,08 В. Таким чином, для надійного відмикання транзистора і його утримання у відкритому стані потрібно імпульс амплітудою 8 В.

Далі здійснимо вибір операційного підсилювача. Максимальна напруга на виході схеми досягає значення 15 В. З довідника вибираємо підсилювач До 157 УД1 з наступними параметрами:

Вибираємо деталі зі стандартного ряду С1 К10 = 7В. 220 пФ.

Для вибору резисторів проведемо розрахунок максимальних потужностей:

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна