9.5 Формувачі лінійно-змінної напруги

Г енератори лінійно–змінної (пилкоподібної) напруги призначені для отримання напруги, яка за деякий час зростає або зменшується за лінійним або близьким до лінійного законом. У радіоелектронних пристроях такі генератори використовують у пристроях порівнян­ня, які фіксують момент досягнення напругою заданого рівня (зокрема в аналого-цифрових перетворювачах0, для часової за­тримки і розширення імпульсів, для отримання часової розгортки в осцилографах, в пристроях сканування і т. д.

Пилкоподібна напруга створюється під час заряджання або розряджання конден­сатора С через резистор R. Найпростіша схема формувача лінійно – наростаючої напруги, в якій транзистор виконує функції ключового елемента подана на рис.9.12. У вихідному стані транзистор закритий (знаходиться в режимі відсічки). Для запобіганню впливу зовнішніх завад, які можуть викликати небажане перемикання ключа, зазвичай, при використанні біполярних транзисторів в коло бази через резистор R1 вмикають додаткове джерело – Е_б. Таким чином забезпечується високий захист від завад. У режимі відсічки транзистор має великий опір, що забезпечує заряд конденсатора С2 через резистор R2 від джерела живлення +Е_С. При цьому U_ВИХ = U_С ~ Е_С . Це стійкий стан.

Для формування пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, на вхід ключа подається синхроімпульс позитивної полярності амплітудою, що забезпечить перемикння ключа в режим насичення. Конденсатор С2 з малою сталою часу (великим струмом відкритого транзистора) розряджається, а напруга на виході зменшується до напруги насичення транзистора U_ВИХ = U_С . Формується зворотний хід тривалістю t_ЗВ. Після закінчення вхідного імпульсу, транзистор перемикається в режим відсічки. Конденсатор заряджається за експоненціальним законом, на виході формується напруга, яка майже лінійно зростає, наближаючись до асимптоматичного рівня Е_С (рис.9.13). Так формується прямий (робочий) хід t_ПР. З надходженням наступних синхроімпульсів процес повторюється.

О сновні параметри напруги, що змінюється лінійно: тривалість прямого (робочого) ходу t_пр, тривалість зворотного ходу t_зв період повторення Т, амплітуда імпульсу U_т . Оскільки строго лінійної зміни напруги U(t) отримати неможливо, ступінь відхилення її від лінійного закону характеризується коефіцієнтом нелінійності:

де та

– відповідно швидкість зміни напруги на початку та в кінці робочого ходу.

У практичних схемах формувачів лінійно–змінної напруги t_пр, дорівнює від десятих частин мікросекунди до десятків секунд, t_зв – від 1 до 20 % від t_пр, при U_т – від одиниць до тисяч вольт. Допустимі значення ε залежить від призначення схеми,наприклад, в осцилографії 10%.

В розглянутій схемі вихідна напруга формується в процесі заряду конденсатора, тобто змінюється за експоненціальним законом, а відтак створює значний коефіцієнт нелінійності. Це коли необхідна амплітуда пилки досягається за повний заряд конденсатора. Початкова ділянка експоненти вирізняється суттєво меншим коефіцієнтом нелінійності, а тому для використання цієї ділянки та забезпечення необхідної амплітуди, значно збільшують напругу джерела живлення.

Отже, високий ступінь лінійності пилкоподібної напруги (мале ε) можливий за умови Е_С >> U_т. Це призводить до неефективного використання напрги джерела живлення. Наприклад, коли необхідно забезпечити U_т = 10 В, а ε = 1 %, напруга дже­рела живлення має бути 1000 В.

Напруга на конденсаторі U_С зв'язана зі струмом і_С відомим співвідношенням

У випадку і_С = І = const напруга на конденсаторі U_С = Іt / С = kt змінюється в часі за лінійним законом. Отже, щоб напруга па конденсаторі змі­нювалася не за експоненційним законом, а строго пропорційно часу, заряд­ний струм конденсатора має бути сталим. Для цього можна застосувати струмостабілізуючі елементи, струм яких не залежить від прикладеної напру­ги. Для стабілізації струму заряджання або розряджання конденсатора в формувачах напруги, яка змінюється лінійно, застосовують негативний зворот­ний зв'язок.

Як активні ключові елементи у проектуванні таких генераторів в наш час найбільш широко використовують операційні підсилювачі. Щоб вихідна напруга була пропорційною інтегралові вхідної напруги, в ОП вмикають конденсатор в колі негативного зворотного зв'язку (див. п. 6.8). Тому формувачі пилкоподібної напруги на ОП будують за принципом пристроїв із зворотним зв'яз­ком, що інтегрують сталу напругу джерела живлення при надходженні синхроімпульсів.

На рис.9.14,а показана схема формувача пилкоподібної напруги з інтегруючою RC- ланкою (R3, C1), яка ввімкнена в коло негативного зворотного зв`язку (інтегратор на ОП, розд. 6.6.2). За допомогою подільника напруги R1, R 2 встановлюється постійна позитивна напруга на неінвертувальному вході:

= βЕ_С,

де β = R₂/(R₁ + R₂). При цьому U_вих ≈ Е_С (рис.9.14,б ).

З

а

а відсутності вхідних сигналів діод D1 через вихідне коло схеми керування (на рис.9.14.а не показане) підключається в прямому напрямі до загальної точки ( до землі), а тому напруга на інвертувальному вході U^--_ВХ Конденсатор заряджається до напруги + U_вих (плюс на правій пластині). Так створюється стан, який може зберігатись до вимикання джерела живлення.

П илкоподібна напруга на виході формується за надходження на вхід синхроімпульсу позитивної полярності, тривалість якого відповідає тривалості прямого ходу. При цьому діод зміщується в зворотному напрямі (має великий опір), що забезпечує подачу постійної напруги джерела живлення +Е_С на інвертувальний вхід ОП, який переводиться в режим інтегратора. Потенціал інвертувального входу плавно підвищується, що забезпечує перехід ОП в активний режим. Конденсатор починає розряджатись через резистор R3 до нуля і перезаряджається до напруги – Е_С, після того як напруга на інвертувальному вході перевищить зафіксовану подільником R1, R2 напругу на неінвертувальному вході. В результаті на виході формується пилкоподібна напруга з незна ною нелінійністю (рис.9.14,б).

Коефіцієнт нелінійності пилкоподібної напруги ε = 1/ К_U визначається підсилювальними властивостями ОП, а напруга протягом робочого ходу лінійно зменшується.

Генератор пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, можна створити, якщо інтегруюче RС–коло ввімкнути в коло позитивного зворотного зв'язку (9.6.1).