зованием особенности одного и того же кварцевого резонатора в цепях отрицательной и положительной обратной связи операционных усилителей.

12.Сравнить кварцевые генераторы с одним и тем же кварцевым резонатором в цепях отрицательной и положительной обрат-

ной связи операционных усилителей. 13.Особенности построения кварцевых генераторов.

14.Принцип действия генераторов напряжений прямоугольной формы на основе операционного усилителя.

15.Принципдействия таймера в режиме генерации прямоугольных импульсов напряжений.

16.Возможность построения и принцип действия генераторов одиночных импульсов напряжений прямоугольной формы на ос-

нове таймера.

17.Возможность построения генераторов напряжений пилообразной формы.

18.Особенности построения широтно-импульсных модуляторов.

19.Особенности построения генераторов импульсов напряжения протяженной длительности.

20.Возможности использования микросхемы типа 8038.

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЙ

3.1. Принцип действия

Для преобразования постоянных напряжений одной величины в постоянные напряжения другой величины как с сохранением, так

и с инверсией знака используют коммерчески доступные микросхемы, называемые преобразователями напряжений. Несмотря на

большое разнообразие таких микросхем в основу их принципа действия положено прерывание постоянных напряжений. На рис. 3.1, а ключ Кл прерывает входное постоянное напряжение (рис. 3.1, б) счастотой f = 1/T, где Т– период коммутации ключа.

В результате на нагрузке наблюдаются прямоугольные импульсы напряжения. Если полагать ключ идеальным, т.е. если его

сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом – бесконечность, то амплитуда напряжения на нагрузкеUнm =

= Uп.

85

жает конденсатор током разряда iр, замыкающимся через разрядный диод. В результате напряжение на зажимах нагрузки поддерживаетсяпостоянным,слабо пульсирующим при С∙Rн >> tп.

Таким образом, в данной схемепериодически происходят заряд и разряд конденсатора и индуктивности.Такая цепь ведет себя по-

добно цепи переменного тока, что позволяет качественно оценить ее коэффициент передачи по напряжению.

Рис. 3.3

В преобразователях напряжения чаще всего используется

ШИМ-управление ключом. В таком случае на вход цепи L–С–Rн поступает последовательность прямоугольных импульсов. Нижняя

частота полосы при этом постоянна: fmin = 1/T. Верхняя частота меняется в сторону увеличения с уменьшением tи, посколькуfmax = =1/tи. Такое представление последовательности прямоугольных импульсов позволяет определять ее некоторой срединной частотой fср, зависящей от tи. При уменьшении tи она увеличивается. Такое

представление выходного напряжения также позволяет свести схему на рис. 3.3, а к схеме на рис. 3.3, б. Коэффициент передачи

цепи по переменному напряжению

Для обеспечения малых пульсаций напряжения на нагрузке необходима большая постоянная времени разряда конденсатора τр = =СRн при заданной величинеRн, что приводит к большой емкости конденсатора,т. е. его сопротивление Zс << Rн. При этих услови-

ях расчет цепи существенно упрощается. Например, при Xс = =0,3Rн

88

Rн2 + Xc2 = Rн2 +0,09Rн2 = Rн 1,09 = 1,04 Rн ≈ Rн,

т. е. погрешность не превышает 4% в случае пренебрежения Хс. Тогда

При условииХс ≤ (1/3)ХL

При выбранных значениях L, С коэффициент передачи схемы на рис. 3.3, а по напряжению зависит от срединной частоты. С

уменьшением tи увеличивается fср и соответственно уменьшается выходное напряжение схемына рис. 3.3, а.

Физически такой делитель напряжений, представленных последовательностью прямоугольных импульсов, работает следующим образом.

Емкость конденсатора С выбирается из условия τр =

= СRн >> Т, где τр – постоянная времени разряда конденсатора;

Rн – сопротивление нагрузки; Т – период коммутации ключа. В этом случае напряжение на зажимах конденсатора С за период

времени, равныйТ, мало меняется. Это тем более правильно, что индуктивность катушки, периодически отбирая энергию от источника на интервале импульса,восполняет потериэнергии конденсатора, разряжаясь на интервале паузы. В установившемся режиме в схеме на зажимах конденсатора устанавливается некоторое практически постоянное напряжение Uн ср (рис. 3.4).

Избыточный прямоугольный импульс напряжения величиной Uи = Uп – Uн гасится катушкой индуктивности.Как известно, им-

89

пульс напряжения на зажимах катушки индуктивности сохраняет прямоугольную форму, если токи заряда и разряда в ней меняются линейно. Это возможно при постоянных времени заряда и разряда индуктивности, в десятки-сотни раз больших периода коммутации ключа, что легко схемотехнически осуществимо. Величина гаси-

мого импульса зависит от соотношения длительностей импульса и паузы.

По рассмотренному принципу строятся различные преобразователи постоянных напряжений: понижающие, повышающие, инвертирующие, обратного хода и т.д.

3.2.Понижающий преобразовательнапряжения

Схема такого преобразователя представлена на рис. 3.3, а. В импульсных преобразователях возможны несколько режимов ра-

боты:

1.Линейный спад тока в катушке индуктивности может закончиться раньше окончания паузы. Этот режим работы называется прерывистым.

2.Линейный спад тока в катушке индуктивности может прекратиться точно в момент окончания паузы.

3.Линейный спад тока в катушке индуктивности можетне пре-

кратиться к моменту окончания паузы.

Это значит, что во втором случае через катушку индуктивности течет пульсирующий ток, имеющий форму треугольника.В третьем случае в катушке наблюдается ток, содержащий постоянную составляющую ипеременную в форметреугольника.

Второй и третий режимы работы называются непрерывными. В импульсных стабилизаторах чаще используются непрерывные ре-

жимы работы. Приэтом третийслучайявляетсяболее общим,п о- скольку второй режим – это частный случай третьего с нулевой постояннойсоставляющей.

Для третьего случая картины напряжений и токов в схеме (рис.3.3, а) представлены на рис. 3.5, где показаны: форма напряжения на зажимахАБ схемы (рис. 3.5, а),форма тока в ключе (рис.

3.5, б), форма тока в нагрузке (рис.3.5, в)иформа падения напряжения на разрядном диоде (рис. 3.5, г).

В соответствиис рис. 3.5 ток в катушке индуктивностина и н- тервалеимпульса долженменяться по закону

90

В момент окончания зарядного импульса ток катушки становится максимальным и равным

где τ2 – постоянная времени разряда индуктивности.

Поскольку на интервале импульса ток в катушке нарастает линейно, то на ее зажимах выделяется прямоугольный импульс на-

пряжения величиной

UL(+) = Uп – Uкл – Uк – Uн = L∆IL/∆t = L(Imax – Imin)/tи, (3.6)

где Uкл – падение напряжения на проводящем транзисторном ключе; Uк – падение напряжения на резистивном сопротивлении катушки. ОбычноUкл иUк многоменьше,чем Uн = const.

Напряжение на нагрузке на интервале импульса

Uн = Uп – Uкл – Uк – UL(+) .

На интервале паузы напряжение на зажимах катушки индук-

пряжения на проводящем диоде.

Среднее значение тока в катушке индуктивности– это среднее значение тока нагрузки,

Iн ср = (Imin + Imax)/2.

Соотношения (3.4) ... (3.7) позволяют сформулировать процедуру расчета любого преобразователя постоянных напряжений.

Рассмотрим упрощенную процедуру расчета понижающего преобразователя напряжений, принимая:

• падение напряжения на диодеUд = 0;

• сопротивление катушки индуктивностиRL = 0;

• потери в конденсаторе RС = 0;

• падение напряжения на ключеUкл = 0;

• ток в катушке индуктивности меняется в пределах от Imin = 0

до Imax = Iпик.

Тогда пиковый ток в катушке индуктивностик концу импульса

достигает величины

Iпик = UL(+)tи /L,

92

где L – индуктивность катушки;UL(+) = Uп – Uн; Uн =const. Следовательно,

Iпик = (Uп – Uн)tи /L (3.8)

или

На интервале паузы ток в катушке линейно уменьшается от Imax

При ШИМ-управлении Т = const. Период коммутации либо за-

дается, либо выбирается. Отсюда следует возможность определения tи (соотношения (3.14)), гарантирующей требуемое напряже-

ние на нагрузке.

Требуемое значение индуктивности катушки, обеспечивающей

"поглощение" прямоугольного импульса величинойUи = Uп – Uн, определяется выражениями (3.9) или (3.11). Естественно, что при этом необходимо знать пиковый ток в катушке, который связан с током нагрузки.

В случае изменения тока в катушке от нуля до Imax вид формы тока показанна рис. 3.6.

Среднеезначение тока вкатушке

Iср = Iпик tи/2Т + Iпик tп/2Т = Iпик/2.

Чтобы напряжение на зажимах конденсатора за период коммутации оставалось постоянным, необходимо, чтобы ток, отдаваемый в нагрузку, равнялся среднемутоку катушки,т.е. Iн = Iср или

93