3.6.5. Обмежувачі амплітуди

В системах енергетичної електроніки та при обробці ЕІС з метою запобіганню перенавантаженню, широко використовують схеми, які виключають перевищення амплітуди в силових пристроях або на вході чутливих інформаційних систем. Для вирішення таких задач створені амплітудні обмежувачі (рис.3.15; рис.3.16,а). Це чотириполюсники, на виході яких напруга перестає змінюватись, коли напруга на вході: - перевищує якесь порогове значення (обмеження зверху, рис.3.15, б); - приймає значення нижче порогового ( обмеження знизу, рис.3.16, б); - або перевищує межі порогових рівнів ( двостороннє обмеження ).

Для вирішення таких задач використовують асиметрію ВАХ діодів в тому числі і стабілітронів. Щоб повністю уяснити процеси перетворення ЕІС в обмежувачах, сформуйте схему в MS, подану на рис 3.15.

Вплив на ЕІС відбувається автоматично за рахунок суттєвої різниці провідності діодів за прямого та оберненого вмикання.

а) б)

Рис.3.15. а - принципова електрична схема обмежувача зверху;

б – осцилограми сигналів на вході та виході

Резистор R1 і діод створюють подільники напруги. Якщо діод закритий, то його опір Rд>>R1, а тому Кu=1 (Uвих=Uвх, див.розділ.1.5.2.). Форми сигналів на вході та виході співпадають. При включені джерела живлення +3В вхідний сигнал амплітудою до 3В є недостатнім для перемикання НД у відкритий стан, а тому на діод подається зворотна напруга ( зберігається вказане вище співвідношення опорів ), а тому діод не впливає на передачу ЕІС (Кu=1).

Діод D1 автоматично перемикається у відкритий стан і починає впливати, коли вхідний сигнал у позитивний напівперіод перевищить приблизно 3,4 В , а тому подальше збільшення амплітуди Uвих обмежується за рахунок збільшення струму діода і, відповідно, збільшення спаду напруги на R1 (рис.3.15,б). В даному випадку автоматично встановлюється співвідношення опорів Rд << R1 і коефіцієнт передачі подільники різко зменшується. Настає обмеження зверху.

Для побудови обмежувача знизу необхідно змінити полярність підключення джерела -3В (рис.3.16, а). Це забезпечує автоматичне перемикання НД у відкритий стан і обмеження вихідного сигналу, коли амплітуда негативної напівхвилі вхідного сигналу перевищить – 3.4 В. В результаті відбувається обмеження знизу.

а) б)

Рис.3.16. а - принципова електрична схема обмежувача знизу;

б – осцилограми сигналів на вході та виході

Відповідно пристрій спрацьовує при подачі синусоїдальних, позитивних і негативних вхідних сигналів. Рівень обмеження визначається напругою джерела живлення. Для побудови обмежувачів на рівні 0.4…08 В використовують пряме вмикання НД (рис.3.1). Для комутації опорів подільника напруги використовують також стабілітрони за зворотного вмикання. В даному випадку рівень обмеження визначається наругою пробою

3.6.6. Варикапи та їх використання

Варикапи – це НД, ємність яких керується зворотною напругою. Вони використоруються як елементи з електрично керованою ємністю, тобто як електричний конденсатор, керований напругою.

Варикапи використовують у пристроях керування частотою коливального контуру, в параметричних схемах підсилення, ділення і множення частоти, в схемах частотної модуляції тощо. Перевагу мають варикапи на основі бар’єрної ємності p‑n‑переходу. Вихідним матеріалом для варикапів є кремній та арсенід галію. Такі діоди характеризуються залежністю ємності p-n‑переходу від зворотної напруги – вольт-фарадною характеристикою C = f(U_R) (рис. 3.17).

Схему вмикання варикапа показано на рис. 3.18. Керувальна напруга на варикап подається через високоомний резистор R. Це виключає шунтування ємності варикапа малим внутрішнім опором джерела керувальної напруги. Змінюючи значення цієї напруги U_к, змінюють зворотну напругу на варикапі і відповідно його ємність. Паралельно варикапу вмикається коливальний LC‑контур, настроювання якого регулюють за допомогою варикапа. Роздільний конденсатор C_в вмикають для запобігання шунтуванню варикапа малим опором індуктивності за постійної напруги. Таку схему широко використовують у різних радіоелектронних пристроях. Наприклад, у радіоприймачах, налаштованих на приймання сигналів радіостанції, що генерує радіосигнали із частотою f₁, через вплив дестабілізуючих факторів може змінитися резонансна частота вхідного коливального контуру f₂. Для забезпечення оптимального приймання сигналів ця частота має збігатися із частотою радіопередавача (f₁ = f₂). Відхилення частоти спричиняє зменшення інформаційного сигналу, що фіксується спеціальною схемою, яка формує «сигнал помилки». Цей сигнал використовується як керувальна напруга U_к. Таким чином, за допомогою варикапа автоматично забезпечується рівність частот радіопередавача та радіоприймача (f₁ = f₂), а отже, і стале приймання сигналів.

Рис. 3.17 Вольт-фарадна Рис.3.18Схема

характеристика вмикання варикапа

Як елемент радіоелектронного пристрою варикап визначається такими параметрами: номінальною ємністю C_tot – ємністю між виводами при номінальній напрузі зміщення (зазвичай 4 В), добротністю температурним коефіцієнтом ємності, граничною частотою, коефіцієнтом перекриття за ємністю K_c.

Коефіцієнт перекриття за ємністю – це відношення загальної ємності варикапа за двома заданими значеннями зворотної напруги.

Параметрами експлуатаційних режимів є: P_c max – максимальна допустима потужність, тобто максимальне значення потужності, що розсіюється на варикапі, та за якого забезпечується задана надійність при довготривалій роботі; U_R max – максимально допустима напруга або максимальне миттєве значення змінної напруги на варикапі.(рис. 3.19)

За допомогою схеми дослідіть пристрій для налаштовування LC-контура на задану резонансну частоту шляхом зміни напруги. Визначте такі частоти за допомогою Bode Plotter за умови, коли опір потенціометра (рівень зворотної напруги) складає 10, 50 та 90% .

Рис 3.19 Схема для дослідження варикапа

Завдяки можливості змінювати ємність через напругу варикапи використовують для автоматичного або ручного настроювання високочастотних коливальних контурів та керування частотою генераторів гармонічних коливань.