книги из ГПНТБ / Шляпоберский В.И. Элементы дискретных систем связи

у триодов с небольшим р (порядка 20) при понижении температуры от +20 до —60° уменьшение |3 может составить 30—50%.

Остановимся более подробно на переходных процессах, проис­ ходящих в триодной схеме, работающей в ключевом режиме.

Предположим, что в исходном состоянии триод закрыт (рис. 24). Тогда при замыкании цепи базы на источник отрицатель­ ного напряжения появится ток базы, открывающий триод. Если амплитуда тока базы превышает /бы. то через некоторое время ток коллектора достигнет значения /кн и триод окажется в состоянии насыщения.

Время, в течение которого ток коллектора достигает 0,9 /Кп. характеризует длительность положительного фронта напряжения,

формируемого на коллекторе (/<jtj,).

В режиме насыщения коллектор не успевает собирать все дыр­ ки, инъектируемые эмиттером, благодаря чему концентрация дырок резко возрастает и ограничивается только рекомбинацией. Поэтому после размыкания цепи базы или даже при подаче на базу положительного напряжения ток и напряжение коллектора начи­ нают изменяться с задержкой на время рассасывания tpacc избы­ точной концентрации неосновных носителей в базе. Когда же кон­ центрация дырок в базе вблизи коллектора достигнет равновесного значения, ток коллектора начнет быстро уменьшаться. При этом на коллекторе формируется отрицательный фронт напряжения

с длительностью /фР.

Задержка выходного импульса при запирании насыщенного триода приводит к уменьшению быстродействия схем. Устранение этого недостатка может быть достигнуто при работе триода в ре­ жиме слабого насыщения (5==1).

Однако вследствие значительного разброса коэффициента уси­ ления р и его температурной зависимости использование этого ре­ жима работы практически невозможно.

Единственным методом борьбы с насыщением является фикса­ ция потенциала коллектора снизу при помощи диода с одновре­ менным ограничением увеличения тока коллектора. Это дости­ гается в ненасыщенном ключе с нелинейной обратной связью [9].

Применение нелинейной отрицательной обратной связи приво­ дит к тому, что по достижении схемой определенного (ненасыщен­ ного) режима дальнейшее изменение входного тока почти не влияет на режим триода.

На рис. 26 изображена принципиальная схема ненасыщенного ключа с нелинейной обратной связью.

При \и ко\> Е диод Д закрыт и входной управляющий ток / равен току базы 1ц. Когда с увеличением тока / ток базы /б достиг­ нет значения, при котором |С/Кв I — Е, диод откроется, включая цепь обратной связи. При наличии обратной связи дальнейшее уве­ личение тока I слабо влияет на режим работы триода и не вызы­ вает его насыщения.

5 0

Недостатком схемы рис. 26 является наличие незаземленной батареи. На рис. 27 представлен один из практических вариантов схемы ненасыщенного ключа. В ней вместо специального источ­ ника смещения используется падение напряжения на сопротивле­ нии г\, которое должно быть значительно меньше сопротивления/^.

Напряжение смещения Есм и сопротивление R\ должны выбираться достаточно большими, чтобы сопротивление /?х не нагружало суще­ ственно коллектор закрытого триода и не приводило к заметному уменьшению выходного импульса.

Исследования ненасыщенных ключей [9] показали, что они практически полностью устраняют задержку выходного сигнала относительно запирающего импульса, не уменьшая значительно эффективность использования напряжения питания.

В зависимости от используемых ключевых режимов триодов сим­ метричные полупроводниковые триггеры делятся на насыщенные и ненасыщенные.

Расчет насыщенного симметричного триггера на полупроводниковых триодах

Как и в ламповых схемах, при расчете элементов триггера (рис. 23) обычно задаются Ек, / к и типом триода. Однако в связи со спецификой работы полупроводникового триода в режиме ключа методика его расчета существенно отличается от методики расчета ламповых схем.

Величина Ек выбирается исходя из требуемого выходного на­ пряжения и вых, но не больше максимально допустимого значения для данного типа триода.

Минимальное значение коллекторного тока должно быть боль­ ше максимальной величины неуправляемого тока коллектора /к0 по крайней мере в 30 раз.

Исходя из приведенных выше параметров и особенностей ра­ боты полупроводниковых триодов в ключевом режиме, условия су-

шествования двух состоянии покоя насыщенного триггера м о ж н о записать так:

для открытого триода

получим выражения, определяющие условия существования двух устойчивых состояний покоя триггера. При этом выражение (4.32)

52

Опрокидывание схемы будет происходить при условии, что ко­ эффициент усиления каскада больше единицы:

где S — коэффициент насыщения.

Для решения системы уравнений (4.37) и (4.38), содержащей три неизвестных — р, г и Есм, воспользуемся неравенством (4.36), согласно которому коэффициент усиления триода (3 должен быть

Преобразуем уравнение (4.37), введя в его коэффициент у;

Для определения R зададимся величиной у.

53

При выборе коэффициента у прежде всего необходимо исходить из неравенства (4.39)

т < Р - 1 .

Другой предел, ограничивающий значение у, может быть полу­ чен, если учесть, что знаменатель выражения (4.44) должен быть больше нуля во всем заданном диапазоне температур работы триг­ гера:

Это будет выполнимо, если в неравенство (4.45) подставить значе­ ния /ко макс, соответствующее максимальной температуре, и рмия, соответствующее минимальной температуре.

Отсюда

Подставляя значение величин, входящих в правую часть нера­ венства (4.46), найдем значение верхнего предела у.

Во всех случаях необходимо задаваться как можно большим коэффициентом у, не выходя за пределы допустимого неравенством (4.46) значения, так как чем больше у, тем больше и вых.

Амплитуда выходного импульса UBUX равна изменению потен­ циала коллектора триода при опрокидывании схемы.

Практически в зависимости от рмта амплитуда выходного им­ пульса может составлять ( 0 ,7 5 -г- 0 ,9 5 ) Е к .

Приведенные соотношения позволяют полностью рассчитать элементы схемы насыщенного триггера.

В качестве примера, поясняющего изложенную методику, приве­ дем расчет схемы рис. 23 по следующим данным: Ек= 12 в\ 1к= 5ма;

54

Последовательность расчета:

Учитывая возможное уменьшение Рлг при понижении темпера­ туры, примем рмш!=0,7 • Рлг = 22.

8. По формуле (4.48) находим Есм:

Есы = 2,5 в.

9. UBbix—l i e .

Расчет ненасыщенного триггера на полупроводниковых триодах

На рис. 29 представлена схема ненасыщенного триггера, в кото­ рой насыщение открытого триода предотвращается цепью обратной связи (сопротивление Г\ — диод Д).

Особенностью схемы рис. 29 является то, что смещающее на­ пряжение, определяющее ненасыщенный режим, создается паде­ нием напряжения на сопротивлении гь причем до значений тока,

Е см

протекающего по сопротивлению ги меньшего-jr-, запертый триод

не открывается.

Следовательно, величина отпирающего тока, при которой насту­

Для обеспечения ненасыщенного режима открытого триода не­ обходимо, чтобы разность потенциалов между коллектором и ба­ зой всегда была отрицательной.

55

Поэтому в наиболее тяжелом случае, когда рыакс= °° (1б. откр= = 0), ненасыщенный режим открытого триода обеспечивается при

Условие (4.49) определяет работу открытого триода на границе режима насыщения даже при (3 = оо. При (3<оо из базы открытого

так как напряжение на диоде уменьшается, а падение [напряжения на сопротивлении Г\ увеличивается.

Выражение (4.49) является исходным для определения г,. Остальные величины,” входящие в схему триггера рис. 29, опре­

деляются так же, как и для насыщенного триггера, считая р '+ г ^ р .

Рис. 29. Схема ненасыщенного триггера на плоскостных триодах

Поясним сказанное на конкретном примере.

Пусть необходимо рассчитать ненасыщенный триггер, если за­

1

Следовательно,

pi = p — г1 — 14,4 — 0,72 as 13,6 ком.

Триггеры на тиратронах с холодны м катодом

а) О с н о в н ы е п а р а м е т р ы и х а р а к т е р и с т и к и т и р а т р о н о в с х о л о д н ы м к а т о д о м

Тиратроны с холодным катодом (ТХ) относятся к газонаполнен­ ным электровакуумным приборам тлеющего разряда. * В качестве наполнителей используются инертные газы (неон, гелий, аргон).

По количеству электродов тиратроны с холодным катодом де­ лятся на триоды и тетроды. Вспомогательные электроды служат для управления моментом возникновения разряда (зажигания) в главном промежутке.анод — катод.

Работа тиратрона характеризуется напряжением зажигания U3 и напряжением горения 7/г. Под напряжением зажигания U3 пони­ мается наименьшая разность потенциалов между анодом и катодом тиратрона, при которой возникает тлеющий разряд. Напряжение горения 0 Г есть разность потенциалов между анодом и катодом горящего тиратрона. Величина Ur не зависит от потенциалов вспо­ могательных электродов и остается постоянной при изменении про­ ходящего через тиратрон тока. В отличие от Ur величина, напря­ жения зажигания тиратрона U3 значительно изменяется в зависи­ мости от потенциалов вспомогательных электродов.

Кроме того, для тиратронов с холодным катодом характерны следующие параметры:

напряжение погасания U„ — максимальная разность потенциа­ лов анод— катод, при которой горящий тиратрон гаснет;

максимально допустимое анодное напряжение £/ам; при U 3> U au

тиратрон может выйти из строя;

время восстановления t B (время деионизации)—время, в тече­ ние которого после погасания восстанавливаются управляющие свойства тиратрона;

максимальный анодный ток / ам — допустимое значение тока при импульсах определенной длительности и скважности;

средний анодный ток / а —допустимое значение тока в течение длительного времени;

максимальная рабочая частота f „ — допустимая частота повто­ рения импульсов, при которой обеспечивается нормальная работа ти­ ратрона в переключающихся схемах;

напряжение зажигания промежутка сетка— катод U3I.K— на­ пряжение, при котором возникает разряд во вспомогательном про­ межутке.

Из отечественных тиратронов с холодным катодом наибольшее распространение получили тиратроны ТХЗБ и ТХ4Б.

Тиратроны ТХЗБ и ТХ4Б имеют два вспомогательных электро­ да — первую и вторую сетки. При включении в тетродном режиме

* Тлеющим разрядом называется вид электрического разряда в газах, отли­ чающийся. малой плотностью тока и сравнительно большим напряжением на электродах. При тлеющем разряде выход электронов из катода происходив за счет электронной эмиссии с катода под действием ударов положительных ионов,

57

на первую сетку через сопротивление Rc\ подается постоянное поло­ жительное напряжение (чаще всего анодное), которое создает в про­ межутке первая сетка — катод темный разряд, стабилизирующий по­ тенциал зажигания тиратрона по второй сетке.

Численные значения основных параметров тиратронов ТХЗБ и ТХ4Б приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, тиратроны с холодным катодом обладают весьма большим напряжением погасания (около 80 в), что позво­ ляет сравнительно просто решить задачу управления ими (гаше­ ние). Если в горячих тиратронах для их погасания необходимо снизить анодное напряжение почти до нуля, то в тиратронах с хо­ лодным катодом достаточно снизить потенциал анода горящего тиратрона на 35—40 в по отношению к катоду, чтобы он погас.

Рис. 30. Статические характеристики зажигания тира­ тронов с холодным катодом ТХЗБ и ТХ4Б

Эта особенность управления работой тиратронов с холодным катодом позволяет использовать их для построения различных пе­ реключающих схем.

Весьма важной характеристикой тиратронов с холодным като­ дом является статическая характеристика зажигания.

На рис. 30 приведены семейства усредненных статических ха­ рактеристик зажигания тетродов типа ТХЗБ и ТХ4Б.

58

Характеристики, приведенные на рис. 30, позволяют определить, при каких значениях потенциалов электродов произойдет зажига­ ние тиратрона.

К преимуществам тиратронов с холодным катодом, благодаря которым они успешно конкурируют с полупроводниковыми трио­ дами, также относятся малое, потребление электроэнергии, боль­ шой срок службы (порядка десятков тысяч часов)*, малые габа­ риты; возможность визуального контроля за работой.

б) П р и н ц и п р а б о т ы т р и г г е р а на т и р а т р о н а х с х о л о д н ы м к а т о д о м

Для рассмотрения принципа работы триггера на тиратронах с холодным катодом воспользуемся схемой рис. 31.

Рис. 31. Принципиальная схема триггера на тиратронах о холодным катодом

Параметры схемы (Ra, RK, Ск), а также Ей и Иаол устанавли­ ваются такой величины, чтобы при включении питания загорался только один из тиратронов и схема имела два устойчивых со­ стояния.

Горение двух тиратронов одновременно исключается, так как в момент загорания одного из тиратронов напряжение на его аноде, а следовательно, и на аноде негорящего тиратрона стано­ вится равным Ur, что явно недостаточно для загорания второго тиратрона. Затем по мере заряда конденсатора Ск напряжение на аноде горящего тиратрона по отношению к земле будет расти, стремясь к (Ur+UK). Однако при выбранном потенциале второй сетки и под этого напряжения недостаточно, чтобы загорелся вто­ рой тиратрон. Такое состояние триггера является устойчивым и мо­ жет сохраняться сколь угодно долго.

♦ С р о к с л у ж б ы т и р а т р о н а о б р а т н о п р о п о р ц и о н а л е н в е л и ч и н е а н о д н о г о т о к а — ч е м м е н ь ш е т о к , т е м б о л ь ш е с р о к с л у ж б ы .

59