10.26. Электронные импульсные устройства с временно устойчивыми состояниями
Электронные импульсные устройства с временно устойчивыми состояниями являются источниками импульсов напряжения, значение, длительность и частота повторения которых могут регулироваться в широких пределах.
Мультивибратором называется устройство с двумя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой генератор импульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска в работу других импульсных устройств при их совместной синхронной работе.
Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы.
У симметричных мультивибраторов длительности прямоугольных импульсов напряжения и интервалы времени между ними равны, у несимметричных — различны.
Схема симметричного мультивибратора приведена на рис. 10.88, а, в которой ОУ является компаратором (см. рис. 10.79).
Рассмотрим один период работы мультивибратора.
По второму закону Кирхгофа для контура 1 цепи составим уравнение
ивх ОУ – иС + и1 = 0, (10.46)
где и1=R1ивых/(R1+R2) и иС — напряжения положительной последовательной и отрицательной параллельной обратной связи по напряжению (см. § 10.17).
Пусть в момент времени t = 0 напряжение на входе ОУ ивх ОУ(0)>0 (рис. 10.89, г). Тогда по передаточной характеристике идеального ОУ (см. рис. 10.63, б — ломаная линия 1) напряжение на его выходе равно
ивых(0) = -Е,
а напряжения обратной связи —
и1(0) = -R1Е/(R1+R2) = -U1max
и с учетом (10.46)
иC(0) > и1(0) = -U1max,
где Е — напряжение источника питания (рис. 10.89, а—в).
Такое состояние цепи мультивибратора, которому соответствует схема замещения на рис. 10.88, б (ключ К в положении 1), неустойчиво. Действительно, напряжения на выходе мультивибратора и на конденсаторе различны: иC(0) > ивых(0). Поэтому конденсатор будет разряжаться через резистор R цепи отрицательной обратной связи и выходную цепь ОУ, а напряжение на нем — изменяться экспоненциально (см. рис. 5.5), стремясь к значению ЭДС (-Е =ивых). В момент времени t1 определяемый условием ивх ОУ(t1-) = 0, т.е. иC(t1-)= -U1max, напряжение на входе ОУ изменит свое положительное значение на отрицательное. В результате возникающего при этом регенеративного процесса (см. § 10.24) произойдет его переключение по передаточной характеристике и скачком изменятся напряжения
ивых(t1+) = Е; и1(t1+) = R1Е/(R1 + R2) = U1max;
ивх ОУ(t1+) = иC(t1+) – и1(t1+) = –2U1max,
где учтено, что напряжение на конденсаторе по закону коммутации (5.2) скачком не изменяется: иC(t1-)= иC(t1+). Одновременно разрядка конденсатора сменится его зарядкой (5.22) по схеме замещения на рис. 10.88, б (ключ К в положении 2)
(10.47)
которая закончится в момент времени t2, определяемый условием ивх ОУ(t2-)= 0, т.е. по (10.46)
иC(t2-) = U1max. (10.47)
В этот момент времени вновь скачком изменятся напряжения
ивых(t2+) = –Е; и1(t2+) = –U1max;
ивх ОУ(t2+) = иC(t2+) – и1(t2+) = 2U1max,
а зарядка конденсатора сменится его разрядкой по схеме замещения на рис. 10.88, б (ключ К в положении 1)
которая закончится в момент времени t3, определяемый условием
ивх ОУ(t3-) = 0, т.е. иC(t3-) = –U1max,
Далее процессы в цепи мультивибратора будут периодически повторяться.
Длительность положительных импульсов напряжения определяется формулами (10.47):
t2 – t1 = RC ln (1 + 2R1/R2),
а частота их повторения с учетом соотношения t3- t2 = t2- t1 равна
.
В несимметричном мультивибраторе интервалы времени зарядки t2- t1 и разрядки t3- t2 конденсатора различны. Это достигается включением в цепь отрицательной обратной связи двух, соединенных параллельно, резисторов: один для зарядки, а другой для разрядки конденсатора. Последовательно с каждым резистором включается диод, прямой ток которого соответствует току зарядки или току разрядки.
Одновибратором называется устройство с одним устойчивым и одним временно устойчивым состояниями, предназначенное для формирования на своем выходе однократного прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе импульса напряжения от внешнего источника.
Одновибраторы применяются для стандартизации импульсов напряжения по длительности, управления электромагнитными реле, задержки импульсов напряжения и деления частоты их повторения.
Схема одновибратора на основе ОУ (рис. 10.90) отличается от схемы мультивибратора (см. рис. 10.88) тем, что параллельно конденсатору в цепи отрицательной обратной связи включен диод, который далее будем считать идеальным.
Работу одновибратора иллюстрирует совмещенная временная диаграмма на рис. 10.91, а—д.
По второму закону Кирхгофа для контура 1 на схеме рис. 10.90, а в любой момент времени справедливо соотношение (10.46).
Устойчивому состоянию одновибратора соответствует схема замещения на рис. 10.90, б (ключ К в положении 1). Напряжения на его элементах постоянны и равны
ивых = -Е; и1= -R1 Е/(R1+R2) =-U1max;
ивх ОУ =иС - и1 = U1max > 0
(рис. 10.91, а, б и д), так как диод включен в прямом направлении и напряжение на конденсаторе иС = 0.
Если в момент времени t1 на вход одновибратора подать импульс напряжения положительной полярности от источника сигналов с ЭДС ес (рис. 10.91, в) и внутренним сопротивлением Rвт, то напряжение обратной связи по формуле межузлового напряжения (1.28)
при значении ЭДС
станет положительным, а напряжение на входе ОУ ивх ОУ — отрицательным (10.46).
В результате произойдет переключение ОУ аналогично описанному выше для мультивибратора и скачком изменятся напряжения
ивых(t1+) = Е; и1(t1+) = R1Е/(R1 + R2) = U1max;
ивх ОУ(t1+) = иC(t1+) – и1(t1+) = –U1max < 0,
так как напряжение на конденсаторе скачком не изменяется (5.2). Это состояние одновибратора, которому соответствует схема замещения на рис. 10.90, б (ключ К в положении 2), временно устойчивое.
Действительно, после переключения ОУ начинается зарядка конденсатора через резистор R цепи отрицательной обратной связи (5.22)
(10.48а)
до момента времени t2, определяемого условием ивх ОУ(t2-) = 0,
(10.48б)
В этот момент времени произойдет переключение ОУ и скачком изменятся напряжения
ивых(t2+) = –Е; и1(t2+) = –U1max;
ивх ОУ(t2+) = иC(t2+) – и1(t2+) = 2U1max.
Одновременно процесс зарядки конденсатора сменится процессом его разрядки в схеме замещения цепи на рис. 10.90, б (ключ К в положении 1) до момента времени t3, определяемого условием иC(t3) = 0.
Далее напряжения на всех элементах одновибратора постоянные и соответствуют его устойчивому состоянию. Длительность положительного прямоугольного импульса напряжения на выходе одновибратора определяется формулами (10.48):
t2 - t1 = RC ln (1 + R1/R2).
Генераторы линейно изменяющегося напряжения входят в состав компараторов, устройств управления перемещением электронного луча по экрану осциллографа, преобразователей частоты синусоидальных напряжений и токов на основе широтно импульсного модулирования для регулируемых электроприводов и т.д.
Генератор линейно изменяющегося напряжения (рис. 10.92) содержит несимметричный мультивибратор, напряжение которого (рис. 10.93, а) используется для управления работой транзистора в ключевом режиме. В интервалах времени Δtзар транзистор выключен и происходит зарядка конденсатора емкостью С через резистор Rк с большой постоянной времени τзар = RкC от источника ЭДС EК (контур 1, в интервалах времени Δtраз, транзистор включен и происходит разрядка конденсатора с малой постоянной времени τраз = 0 (контур 2).
Экспоненциальное напряжение на конденсаторе при его зарядке (5.22) и соблюдении условия Δtзар << τзар (рис. 10.93, б) характеризуется малым значением коэффициента нелинейности
где и'C(0) и и''C (Δtзар) — скорости изменения напряжения в начале и в конце интервала времени зарядки.