Формувачі імпульсів та пилкоподібних напруг

4.1. Основні поняття про релаксатори

Релаксаторами називають генератори імпульсів, основу роботи яких складають процеси накопичення та розсіювання енергії в електричному полі конденсатора або магнітному долі елемента індуктивності. Релаксатори ще Називають генераторами розривних коливань, оскільки коливання, які вони генерують, мають круті фронти і тому мають багатий спектр.

Отримання стрибкоподібної зміни напруги досягається, як і в тригерах, застосуванням позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ) або використанням пристроїв з негативним опором. Релаксатори на відміну від тригерів мають лише один стан стійкої рівноваги або взагалі його не мають. Але релаксатор завжди має один або два стани квазірівноваги. У стані квазірівноваги струми та напруги не загашаються постійними, а повільно змінюються, утворюючи в якийсь момент умови для стрибкоподібного переходу релаксатора з одного стану в інший.

Релаксатори з ємнісним накопичувачем енергії називають мультивібраторами, а з накопичувачем у вигляді імпульсного трансформатора -блокінг-генераторами.

Якщо мультивібратор побудований на базі пристрою з негативним опором (негатрона), то в його назві вказується тип пристрою. Наприклад, мультковібратор на тунельному діоді.

Релаксаційні генератори можуть працювати в трьох режимах: очікуючому, автоколивальному та в режимі синхронізації. Кожний з режимів має деякі схемні особливості.

В очікуючому (однотактному) режимі релаксатор має один стан стійкості рівноваги (вихідний) та один стан квазірівноваги. В вихідному стані він "очікує" дію зовнішнього імпульсу запуску, який переводить його в стан квазірівноваги Зворотній перехід здійснюється автоматично в результаті внутрішніх процесів у релаксаторі.

В автоколивальному режимі обидва стани релаксатора є станами квазірівноваги і перехід з одного в інший відбувається автоматично, без зовнішнього впливу. Період автоколивань визначається лише параметрами схеми.

У режимі синхронізації, на відміну від автоколивального на релаксатор додатково подається зовнішні синхронізуючий сигнал, під дією якого період коливань стає рівним або кратним періоду цього синхронізуючого сигналу.

4.2. Мультивібратори з колекторно- базовими зв'язками

4.2.1. Очікуючий мультивібратор

Cхему мультивібратора подано на рис. 4.1,а. вона утворена двома транзисторними ключами vt₁ та vt₂, замкненими в петлю пзз. зв'язок першого ключа з другим - ємнісний, через конденсатор с₂ та резистор r₂. а другого з першим - резистивно-ємнісний, через резистори r₆, r та прискорюючий конденсатор с₁, так само як у тригера на рис . 3. 2.

Імпульс запуску у схемі подається на базу транзистора VT₂ через розділяюче коло С_р, R_p та діод VD.

Робота схеми ілюструється часовими діаграмами (рис. 4.1,б) їх зручно розглядати по етапам.

Вихідний стан (t < t₁). Тут транзистор VT₁ закритий, a VT₂ відкритий та насичений. Параметри схеми вибрані так, до струм бази VT₂ перевищує струм насичення, а при насиченому VT₂ напруга на базі VT₁ негативна за рахунок джерела Е₆,тому він закритий. Нехтуючи напругами на електродах насичених транзисторів та тепловими струмами в режимі закриття, можна записати

Напруга на колекторі VT₁ U_Kl~Е_к, така ж напруга і на зарядженому конденсаторі С₂ U_C2~ U_Kl~Е_к

Конденсатор С₁ розряджений, на ньому невелика напруга U_C1 = Е_б R₆ /(R₆ + R), яка звичайно не перевищує 1 В.

Запуск. Негативний імпульс запуску U_з, який надходить в момент часу t₁, відкриває діод VD₁ і створює в колі бази VT₂ зворотний струм. Після видалення надлишкового заряду, коли транзистор переходить в активний режим, колекторний струм VT₂ спадає, а зростаючий потенціал колектора U_K2 передається по колу зворотного зв'язку на базу VT₁ і викликає відкриття транзистоpa VT₁, замикається петля ПЗЗ, що викликає стрибок. У результаті стрибка транзистор VT₂ стає закритим, петля ПЗЗ розмикається. Напруга на базі VT₂ тепер негативна і досягає значення U₆₂ ~ -Е_к

Діод VD закривається та відключає (відсікає) коло запуску. Тривалість процесу запуску мала і на часових діаграмах U₆₂ та U_Kl й не показано. Однак напруга U_K2 змінитись стрибком не може через наявність конденсатора С₁. Його заряд через резистор та перехід база-емітер VT₁ забезпечує швидке відкривання транзистора VT₁, але він продовжує заряджатися і після стрибка. Цей процес можна побачити на діаграмі U_K2. Тривалість фронту цієї напруги

t~3R_к2 С₁ (4.1.)

Стан квазірівноваги (t₁<t<t₂). Після стрибка струми та напруги в мультивібраторі не лишаються постійними, а повільно змінюються, схема знаходиться в стані квазірівноваги. Тепер напруга U_Kl на колекторі VT₁ стада близькою до 0. Тому умови для кола C₂-R₂ змінились. Конденсатор С₂ розряджається струмом від джерела Е_к через резистор R₂ та насичений транзистор VT₁. При цьому напруга на конденсаторі U_с2 прямую змінити полярність і досягти значення - Е_к. Тобто починає відбуватися процес перезаряду конденсатора С₂ Враховуючи, що U₆₂~U_с2 напруга на базі VT₂ у процесі перезаряду С₂ прямує до рівня Е_к. Напруга на колекторі VT₂ U_к2 = Е_к R₆ /(R_к2 + R₆) менша Е_К, тому що через резистор R_к2 протікає струм бази першого транзистора. Така ж напруга якщо припустити U_6н1, буде на конденсаторі С₁.

Другий стрибок. Стан квазірівноваги утримується, поки транзистор VT₂ лишається закритим, тобто поки U₆₂<E₆₀. Коли внаслідок перезаряду конденсатора С₂ напруга на базі VT₂ стане позитивною і перевищить порогову напругу (при t=t₂) VT₂ відкриться. Зростання струму i_k2 викличе зміну потенціалу U_к2 та зменшення i₆₂ VT₁ виходить з насичення, замикається ПЗЗ, відбуваться зворотний стрибок - транзистор VT₁ закривається (петля ПЗЗ розмикається), a VT₂ переходить у насичення. Напруга на колекторі VT₂ спадає до нуля. Такий же перепад буде і на базі VT₁.

Тривалість другого стрибка мала і на часових діаграмах не зображена.

Відтворення вихідного стану. Після другого стрибка в мультивібраторі протікає процес відтворення вихідного стану.

Конденсатор С₁ розряджається безпосередньо через резистор R₆ та паралельну гілку, утворену ділянкою колектор- емітер насиченого транзистора VT₂, джерелом Е_б та резистором R. Час розряду конденсатора.

Конденсатор С₂ заряджається від джерела Е_к через резистор R_к1 та перехід база- емітер транзистора VT₂. Струм заряду конденсаторі забезпечує швидкий перехід VT₂ у насичення, але затягує процес відтворення вихідної напругу на колекторі VT₁:

Тривалість імпульсу мультивібратора t₁. Імпульси, які формуються мультивібратором, можуть зніматися як з колектора VT₁, так і з колектора VT₂. Їх тривалість визначається тривалістю стану квазірівноваги. Її можна приблизно оцінити, якщо припустити, що перезаряд конденсатора йде за експоненціальним законом з постійною часу τ~R₂С₂, а другий стрибок який фіксує момент закінчення імпульсу, відбувається, коли експонента перетинає рівень нуля. Скористаємося відомим співвідношення для визначення часу Δt, за який експонента з постійною часу τ змінюється в межах U_n/U_K, тобто від початку заряду до кінця:

де U_∞ - стаціонарне значення, до якого прямує експонента. В нашому випадку Δt=t₁; τ~R₂С₂, U_n= U_cn=+E_K, U_к=U_ск=0; U_∞=-E_K

Підставляючи ці значення у формулу (4.4),отримаємо

У багатьох випадках при експлуатації пристроїв, які містять мультивібратори, необхідне регулювання тривалості імпульсу t_i. Для цього можна, як випливає з (4.5), змінювати величину С₂ або R₂. Конденсатор з плавною зміною ємності конструктивно незручний. Змінний резистор R₂ ставиться майже завжди. Однак цей спосіб можна застосовувати лише для зміни t_i в малих межах, на 30-50% Це необхідно, наприклад, для початкового встановлення величини t_i та корекції її під час роботи. Змінювати t_i більш широких межах шляхом змінювання опору R₂, від величини якого залежить режим транзистора VT₂ неможливо.

Змінювали тривалість імпульсу в широких межах, у кілька разів, зручно за допомогою потенціометра, який включається замість постійного резистора R_к1 (рис. 4.2,а). Положення повзунка потенціометра означає початкову напругу на базі VT₂ після стрибка, тобто у стані квазірівноваги. Ця напруга

U₆₂=-Е_к+U'_Rk,

д е U'_Rk - падіння напруги на нижній частині потенціометра. Чим вище повзунок, тим більше U'_Rk і тим швидше напруга на базі досягне потенціалу відкриття транзистора (рис.4.2,б), тривалість імпульсу зменшується.

Це явище можна трактувати і так: початкова напруга на конденсаторі С₂ завжди лишається такою що, дорівнює +Е_к а кінцева напруга тепер дорівнює не 0, а +U'_Rk. Саме ти цій її величині на базі транзистора VT₂ буде 0, і він відкриється. На стільки ж зменшиться і U_С∞. Таким Чином, у цій схемі

Якщо знехтувати впливом потенціометра R_к1 на постійну часу перезаряду конденсатора (R_к1<<R₂) на підставі (4.4) наближена формула для оцінки тривалості імпульсу може бути приведена до вигляду

Тут введено позначення: K_d=U'_Rk/Е_к. Зрозуміло, що можна вважати K_d =R'_к1/R_к1 - коефіцієнт ділення потенціометра.

Тепер формула (4.5) - окремий випадок (4.6) при K_d=0, тобто коли двигунчик потенціометра знаходиться в крайньому нижньому положенні. При крайньому верхньому положенні (K_d=1) отримаємо t₁=0. Отже, маємо можливість регулювати t_i розрахованого значення 0,7R₂C₂ до 0.

Стабільність тривалості імпульсу повністю визначається якістю застосованих транзисторів. Найбільше впливає залежність теплових струмів закритих транзисторів від температури. Точніше кажучи, в стані квазірівноваги розряд конденсатора С₂ відбувається не лише струмом через резистор R₂, але й тепловим струмом через ділянку колектор- база закритого транзистора VT₂ (рис. 4.2,а). Цей струм з підвищенням температури збільшується, що призводить до прискорення розряду конденсатора, тобто до зменшення t_i.