Лекция 25. Импульсные устройства

1. Общие сведения об импульсных сигналах

Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерывистое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.

Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом причин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информацию. Импульсный сигнал оказался единственно приемлемой формой при создании радиолокации, он необходим для работы систем синхронизации, удобен для управления многими производственными процессами.

Импульсы применяются и для передачи непрерывной информации. В этом случае передаваемая информация может содержаться в значениях амплитуды, длительности или временного положения импульсов. Наличие пауз между импульсами позволяет уменьшить мощность, потребляемую от источника питания. Кроме того, во время паузы можно передавать информацию от других корреспондентов.

Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной, пилообразной экспоненциальной и колокольной формы (рис. 25.1, а). Импульсы характеризуются

– амплитудой U_m,

– длительностью τ_и,

– длительностью паузы τ_п,

– периодом повторения Т = τ_и + τ_n,

– частотой повторения F = 1/T,

– скважностью Q_u = T/τ_u.

В реальных устройствах прямоугольные импульсы характеризуются также длительностью фронта τ_фр и среза τ_ср. Фронт и срез определяют в течение нарастания или спада напряжения от 0,1 U_m до 0,9U_m.

2. Электронные ключи

Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами. Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 25.1, б.

Рассмотрим работу схемы. В ключевом режиме транзистор может

находиться в одном из двух состояний – в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.

В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток Iкэ₀. Напряжение на участке коллектор-эмиттер . Мощность, теряемая в транзисторе в режиме отсечки определяется произведением Р_отс = I_кэ0·U_к и мала, так как пренебрежимо мал ток I_кэ0.

Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо подать на базу отрицательное напряжение смещения, т.е. . Для этого часто применяют дополнительный источник смещения – Е_см и резистор R₂ (эти элементы показаны на рис. пунктиром). При таком включении напряжение смещения создается двумя источниками Е_см и источником тока I_кэ0, т.е.

^{. (25.1)}

Полагая U_б < 0, получаем:

,

откуда

. (25.2)

Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которого ограничивается резистором R_к. Пренебрегая малым напряжением насыщения, можем записать:

. (25.3)

Режим насыщения достигается при токе базы:

. (25.4)

Как и в режиме отсечки, мощность, теряемая в транзисторе в режиме насыщения, мала, потому что мало напряжение насыщения U_н.

Ток базы в режиме насыщения создается источниками напряжения U_ВХ и Е_СМ. При этом участок база - эмиттер транзистора можно считать закороченным. Поэтому

.

Условие насыщения (13.4) принимает вид

. (25.5)

Выражения(25.2), (25.3) и (25.5) позволяют выполнить расчет электронного ключа.

В настоящее время электронные ключи выпускаются в микросхемном исполнении. Например, микросхема К564КТ3 содержит четыре двунаправленных ключа, предназначеных для коммутации аналоговых и цифровых сигналов с током до 10 мА.