Генераторы линейно-изменяющегося напряжения и тока

Линейно-изменяющимся напряжением (током) называют импульс­ное напряжение (ток), у которого на рабочем участке нарастание иш спад происходит по линейному закону (рис. 5.23, я, б). Такое напряжение часто называют также пилообразным.

Основными параметрами, характеризующими линейно - изменяю­щееся напряжение (ток), являются: период T; длительность рабочего хода T_P; длительность обратного хода T_Oх; амплитуда U _т (1_т)ли­нейность рабочего хода.

Последний параметр характеризует качество линейно - изменяю­щегося напряжения (тока). Для его оценки вводят понятие коэффици­ента нелинейности ε:

, (5.22)

где и - скорость изменения напряжения соответственно

в начале и в конце рабочего хода.

РИС. 5.26. Структурные схемы и временные диаграммы генератора изменяющегося напряжения (ГЛИН)

В реальных схемах длительность рабочего хода изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, амплитуда напря­жения — от единиц до тысяч вольт, длительность обратного хода — от 1 до 50% T_р. В большинстве случаев величина е измеряется едини­цами процентов.

Рассмотрим сначала генераторы линейно-изменяющегося напряже­ния (ГЛИН).

Практически все применяемые в настоящее время генераторы линейно-изменяющегося напряжения основаны на использовании заряда или разряда конденсатора через резистор. Как известно,

Для того чтобы нарастание напряжения на конденсаторе было линейным, необходимо выполнить условие

Поскольку dU 1и_с/dt=1_с/С, для создания линейно-нарастающего напряжения нужно заряжать конденсатор постоянным током. Кроме того, для создания последовательности пилообразных импульсов не­обходимо осуществлять коммутацию цепей заряда и разряда конден­сатора. Таким образом, структурная схема любого генератора ли­нейно -нарастающего напряжения должна иметь вид, представленный на рис. 5.23, а и состоять из двух основных частей: токостабилизирующего и ключевого устройств. Для создания линейно падающего напряжения следует поддер­живать постоянным разрядный ток конденсатора. Генераторы линей­но -падающего напряжения имеют практически ту же структур­ную схему, что и генераторы линейно -нарастающего напряжения (рис. 5.23, б).

В качестве ключевых устройств в генераторах линейно -изменяю­щегося напряжения используют обычные электронные ключи. Токостабилизирующие устройства более разнообразны. В зависимости от типа токостабилизирующего устройства схемы генераторов линейно-

Рис. 5.24. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы ГЛИН с простой ин­тегрирующей цепью; временная диаграмма его работы (в)

изменяющегося напряжения подразделяют на три вида: генераторы с простой интегрирующей цепью, генераторы с токостабилизирующим двухполюсником и генераторы с компенсационными схемами.

Принципиальная и эквивалентная схемы простейшего транзи­сторного генератора линейно-нарастающего отрицательного напряже­ния с простой интегрирующей цепью приведены на рис. 5.24, а и б. В начальном состоянии транзистор открыт и насыщен (ключ К замкнут). Сопротивление транзистора мало, конденсатор полностью разряжен, а напряжение на нем равно нулю. Когда на базу транзи­стора подается положительный импульс, транзистор запирается (ключ К разомкнут), конденсатор начинает заряжаться от источника питания через резистор R_к, а напряжение на нем возрастает по экспоненте (рис. 5.24, в). По окончании входного импульса транзистор откры­вается и конденсатор быстро разряжается.

Для получения малого коэффициента нелинейности в такой схеме используется лишь начальный участок экспоненты, линейность кото­рого достаточно высока. Поэтому отношение U _т/Е_к, называемое коэф­фициентом использования напряжения питания, оказывается неболь­шим, что является основным недостатком схемы ГЛИН с простой интегрирующей цепью.

Значительно более совершенными являются ГЛИН с токостабилизирующими двухполюсниками, которые позволяют получить напряжения с большей линейностью при коэффициенте использования на­пряжения питания, близком к единице.

Рис. 5.25. Принципиальная схема ГЛИН с токостабилизирующим двух­полюсником (а) и временные диаграммы его работы (б)

Рис. 5.26. Эквивалентная (а) и принципиальная (б) схемы компенсаци­онного ГЛИН; временные диаграммы его работы (в)

В качестве токостабилизирующего двухполюсника удобен тран­зистор. Как известно, при постоянном токе базы коллекторный'ток транзистора мало меняется при изменении напряжения U _к в широких пределах. Это свойство транзисторов используют для стабилизации разрядного или зарядного тока в ГЛИН.

Один из вариантов схемы ГЛИН, в котором стабилизируется раз­рядный ток конденсатора, показан на рис. 5.25, а. В этой схеме тран­зистор T₁ является ключом, а транзистор T₂ — токостабилизирующим двухполюсником.

В исходном состоянии оба транзистора открыты. Напряжение источника — Е_к распределяется между транзисторами пропорцио­нально их сопротивлению постоянному току. Для повышения коэф­фициента использования напряжения питания необходимо уменьшать сопротивление промежутка коллектор — эмиттер транзистора Т₁и увеличивать сопротивление промежутка коллектор — база транзи­стора T₂. После прихода положительного прямоугольного импульса на базу транзистора T₁ он закрывается и конденсатор С начинает раз­ряжаться через транзистор T₂, включенный по схеме с общей базой. Как только прекратится входной положительный импульс, транзи­стор T1 открывается и конденсатор С начинает заряжаться от источ­ника питания — Е_к (рис. 5.25, б).

Наилучшие результаты могут дать генераторы с компенсацион­ными схемами. Рассмотрим генератор с компенсирующей э. д. с., который может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 5.26, а), где последовательно с источником питания Е включен допол­нительный источник и (С). Для такой схемы

.

Если напряжение u(t)изменять во времени по такому же закону, как и напряжение на конденсаторе (u(t) = u_с(t), то

Поскольку ток заряда постоянен, напряжение на конденсаторе будет изменяться по линейному закону. Принципиальная схема ГЛИН с компенсирующей э. д. с. приве­дена на рис. 5.26, б. Здесь роль дополнительного источника напряже­ния u(t)выполняет эмиттерный повторитель на транзисторе T₂, а роль источника Е — напряжение U ₀ на конденсаторе большой ем­кости С₀. Работа схемы происходит следующим образoм. В исходном со­стоянии транзистор Т₁открыт и насыщен. Напряжение на конден­саторе С практически равно нулю. Полагая, что коэффициент пере­дачи эмиттерного повторителя равен единице, можно считать, что и напряжение U _э также равно нулю. В этом случае конденсатор С₀ заряжается до напряжения u₀ ≈ \Е_к\.

После прихода прямоугольного положительного импульса на вход генератора транзистор T1 запирается и конденсатор С начинает«заряжаться. Сначала заряд конденсатора С происходит от источника питания — Е_к через диод Д и резистор R. По мере заряда возрастает не только отрицательное напряжение U_с, но вместе с ним и напряже­ние U_Э. Так как С₀ > С, понижение напряжения U _э практически без изменения передается в точку а. Понижение потенциала точки а приводит к запиранию диода и отключению источника питания — Е_к. После этого начинается заряд конденсатора С от конденсатора С₀ через резистор R. Эквивалентная схема процесса заряда будет точно соответствовать схеме рис. 5.26, а.

Максимальное напряжение, до которого может зарядиться кон­денсатор С, близко к \Е_К\. При правильно выбранных параметрах схемы заряд конденсатора С заканчивается к моменту отпирания транзистора T₁ после чего начинается восстановление стационарного состояния генератора, состоящее из двух этапов. На первом этапе происходит быстрый разряд конденсатора С через транзистор T при запертом диоде Д. По мере разряда конденсатора потенциал точки а повышается, в конце разряда диод открывается и начинается второй этап восстановления, на котором происходит подзаряд конденса­тора С₀.

Временные диаграммы работы ГЛИН с компенсирующей э. д. с. приведены на рис. 5.26, в.

Используются ГЛИН главным образом для получения разверток в электронно-лучевых трубках с электростатическим отклонением луча, для создания регулируемой временной задержки импульсов, в аналого - цифровых преобразователях.