3.3.2.5. Генератори пилкоподібної напруги (гпн).

Пилкоподібною називають напругу (струм), який на робочій ділянці відносно повільно зростає (або спадає) за лінійним законом, а потім швидко повертається до вихідного рівня.

ГПН широко використовуються для відхилення електронного променя у електронно-променевих трубках телевізорів та осцилографів, для зіставлення напруг у порівнювальних пристроях, у перетворювачах інформації (аналого-цифрових перетворювачах) і т.д.

П илкоподібна напруга характеризується такими параметрами (рис. 3.76): тривалістю робочого (прямого) t_р і зворотного t_зв ходу, тривалістю паузи t_п, періодом повторення Т, максимальним значенням напруги (амплітудою) імпульсів U_m, коефіцієнтом нелінійності ε і коефіцієнтом використання напруги джерела живлення ξ.

На робочій ділянці пилкоподібна напруга повинна змінюватись за лінійним законом (пунктирна лінія на рис. 3.76). Однак практично виконати таку вимогу важко. Намагаються отримати напругу із коефіцієнтом нелінійності ε ≤ 0,210 %.

Н а практиці отримання пилкоподібної напруги основане на заряді або розряді конденсатора. При невисоких вимогах до лінійності (ε ≤ 15 %), використовуються найпростіші резисторно-ємнісні кола, в яких напруга (струм) змінюється за експоненціальним законом: при заряді (зростанні) u_C = E(1 – e^–t/τ) і при розряді (спаданні) u_C = U_m e^–t/τ, де τ = RC – постійна часу (див. ч. 1, п. 4.3).

Можлива схема такого генератора із стороннім збудженням наведена на рис. 3.77. Вона складається із послідовно з’єднаних резистора R і конденсатора C. Виводи такого кола підключені до стабілізованого джерела постійного струму U_вх. Комутація конденсатора для заряду і розряду конденсатора здійснюється ключем К. При розімкненому ключі К конденсатор заряджається і на виході виникає експоненціально зростаюча напруга U_вих, за формою близькою до наведеної на рис. 3.76. При замиканні ключа К конденсатор швидко розряджається, а вихідна напруга швидко наближається до нуля (або U₀). Неперервна послідовність імпульсів пилкоподібної форми генерується при періодичному розмиканні і замиканні ключа К.

Конденсатор, як накопичувач енергії, в конструкціях багатьох ГПН є обов’язковим елементом. Роль ключа виконують транзистори і інші підсилюючі і нелінійні елементи. Підсилюючий елемент працює в ключовому режимі D (див. ч. 2, п. 3.2.6); конденсатор приєднується паралельно вихідним електродам, наприклад, до колектора і емітера, або послідовно із підсилюючим елементом і джерелом живлення. Вхідні прямокутні імпульси періодично відкривають і закривають підсилюючий елемент, конденсатор, відповідно, то заряджається, то розряджається, і на виході виникає пилкоподібна напруга.

Недоліком змальованого ГПН є не контрольованість струму і_С, який змінюється при протіканні через конденсатор на різних етапах заряду або розряду, наслідком чого є не лінійність пилкоподібної напруги на виході ГПН. Розроблені схеми ГПН, які включають струмостабілізуючі або компенсуючі елементи із використанням кіл від’ємного зворотного зв’язку. Схема такого ГПН із струмостабілізуючим транзистором наведена на рис. 3.78-а, а графіки, що пояснюють його роботу – на рис. 3.78-б.

а) б)

Рис. 3.78.

Транзистор VT₁ є ключовим елементом, а транзистор VT₂ – струмостабілізуючим. Конденсатор С, розряд якого використовується для отримання пилкоподібної напруги, включений в емітерне коло транзистора VT₁. Вхідні прямокутні імпульси u_вх надходять на базу першого транзистора, а пилкоподібна напруга u_вих знімається з колектора другого транзистора.

У вихідному стані транзистор VT₁ відкритий і конденсатор С заряджається до напруги джерела живлення U_К. Транзистор підготовлений до роботи в активному режимі (див. ч. 2, п. 2.2.2). Для цього на його базу через резистивний дільник R₃, R₄ подана напруга, що зміщує робочу точку приблизно на середину лінії навантаження (див. ч. 2, п. 2.2.4). Транзистор VT₂ виконує функцію автоматично регульованого резистора, включеного паралельно із робочим конденсатором С в коло емітера транзистора VT₁. При подачі на вхід додатного прямокутного імпульсу (рис. 3.77-б) U_вх транзистор VT₁ закривається; конденсатор С стає джерелом колекторної напруги транзистора VT₂ і починається його розряд через опір емітерного і колекторного переходів; напруга на ньому зменшується, однак колекторний струм змінюється мало внаслідок незначного нахилу вихідних характеристик транзистора, включеного за схемою із спільною базою. Стабілізації струму і_С сприяє також від’ємний зворотний зв’язок за струмом, що здійснюється через резистор R_Е. отже, струм розряду конденсатора і_С підтримується постійним в заданих межах лінійності.

Параметри елементів ГПН повинні бути підібрані так, щоб заряд відбувався швидко (t₀), а розряд – робоча ділянка пилкоподібної напруги (t_р) – повільно. Оскільки зазначений генератор працює від зовнішніх запускаючи імпульсів, його робочий хід повинен закінчуватись до приходу наступного запускаючого імпульсу. Тривалість робочої ділянки t_р визначається за формулою

,

а коефіцієнт використання напруги за формулою

.

Після закінчення керуючого імпульсу U_вх транзистор VT₁ відкривається і переходить в режим насичення, конденсатор заряджається через насичений транзистор і резистор R₂ за час зворотного ходу, тривалість якого дорівнює t_зв  3R₂C. Для скорочення часу заряду t_зв резистор R₂ повинен мати достатньо малий опір  0,3–0,6 кОм.

При високоомному навантаженні розглянута схема ГПН забезпечує ε < 0,5%, великий коефіцієнт використання напруги (ξ  0,9), широкий діапазон t_р (від одиниць до кількох тисяч мікросекунд), невеликий час t_зв.