ФОРМУВАЧІ ПРЯМОКУТНИХ ІМПУЛЬСІВ. ОБМЕЖУВАЧІ ПОСЛІДОВНОГО ТА ПАРАЛЕЛЬНОГО ТИПУ НА ДІОДАХ

Обмежувачі амплітуди – пристрої, напруга на виході яких (u_вих) пропорційна вхідній напрузі u_вх поки остання не досягне деякого рівня - порога обмеження, після цього залишається постійною, не дивлячись на зміни u_вх .

Щоб пропорційність між u_вих і u_вх  мала місце тільки на деякій ділянці, характеристика обмежувача u_вих = f(u_вх ) повинна бути нелінійною і тому необхідним елементом обмежувача є нелінійний елемент (НП діод, що володіє малими габаритами і масою і споживаючий незначну енергію, транзистори, лампи).

На рис.115 показані амплітудні характеристики обмежувачів з різними порогами обмеження. Напруга на виході обмежувача з характеристикою, зображеною на рис.115, а, слідує за вхідною напругою, поки остання не перевищить рівня U_обм. Подальше збільшення и_вх не викликає змін u_вих. Такий вид обмеження називається обмеженням по максимуму або обмеженням зверху.

Рисунок 115 – Амплітудні характеристики обмежувачів

На рис.115, б, в показані характеристики, що забезпечують відповідно обмеження по мінімуму (знизу) і двостороннє обмеження з рівнями обмеження U_огр1. i U_огр2 .

На рис.115, г дана характеристика, що забезпечує обмеження знизу на нульовому порозі. Обмежувач з такою характеристикою пропускає на вихід напругу тільки позитивної полярності. Обмежувач, який пропускає на вихід напруги тільки негативної полярності, повинен мати характеристику, розташовану в третьому квадранті (зображена пунктиром на рис.115, г).

При вивченні діодних обмежувачів слід виходити з того, що практично діод проводить струм, коли потенціал його анода вищий за потенціал катода. Роботу діодних обмежувачів розглядатимемо при дії на вхід синусоїдальної напруги.        

Залежно від способу з'єднання навантаження і діода розрізняють послідовні і паралельні діодні обмежувачі.

Послідовні діодні обмежувачі. Обмежувач з нульовим порогом обмеження.

Схема такого обмежувача приведена на рис. 116, а.

Рисунок 116 - Послідовні діодні обмежувачі. Обмежувач з нульовим порогом обмеження

З неї виходить, що вхідна напруга u_вх розподіляється між діодом VD і резистором навантаження R_н . Від співвідношення їх опорів залежить, яка частина и_т виділяється на виході.

Опір діода в прямому напрямі (R_пр) малий (одиниці –десятки Ом), в зворотному великий (R_н сотні кОм). Діод проводить струм коли потенціал його анода більше потенціалу катода. Тому позитивна напівхвиля напруги u⁺_вх практично повністю виділяється на виході.

Опір діода у зворотному напрямі VD_ЗВ  набагато більший R_н. Тому негативна напівхвиля u_вх практично повністю виділяється на діоді і u_вих ≈ 0.

Діодний обмежувач можна розглядати як пристрій із змінним коефіцієнтом передачі (К_пер) вхідної напруги на вихід. Поки u_вх не досягає порогу обмеження, К_пер  ≈ 1, тобто u_вих ≈ u_вх. Після досягнення порогу обмеження К_пер ≈ 0, т. е. u_вих ≈ 0.

На рис.116,б зображені криві напруг u_вх  і u_вих ілюструючі роботу обмежувача (рис.116,а). Розглянута схема забезпечує обмеження вхідної напруги знизу з порогом обмеження, рівним нулю.

Обмеження зверху з нульовим порогом можна одержати, змінивши напрям включення діода (рис.116, в, г).

Обмежувач з нульовим порогом обмеження застосовується для виключення імпульсів певної полярності з послідовності різнополярних імпульсів (рис.116, д).

Паралельні діодні обмежувачі. Обмежувач з нульовим порогом обмеження. Схема такого обмежувача приведена на рис.117, а.

Рисунок 117 - Паралельні діодні обмежувачі. Обмежувач з нульовим порогом обмеження

Необхідним елементом її є обмежуючий резистор R_обм, який вибирають так, щоб виконувалася нерівність R_пр « R_обм« R_н « R_зв , 

де R_пр  і  R_зв — опори діода, зміщеного в прямому і зворотному напрямах.

Вхідна напруга обмежувача розподіляється між R_обм і ділянкою ланцюга, створеним паралельно включеним діодом і навантаженням R_н .

При відкритому діоді опір цієї ділянки за рахунок невеликого R_пр малий и майже вся вхідна напруга виділяється на R_обм (R_обм >> R_пр), а u_вих ≈ 0. Закритий діод не шунтує навантаження R_н (R_зв >> R_н); вхідна напруга ділиться між R_обм  і R_н , і оскільки R_н  >> R_обм , то на навантаження падає основна частина u_вх:

u_вих ≈ u_вх.

У схемі рис.117,а діод відкривається під час дії позитивної напівхвилі u_вх. Тому на виході виділяється тільки негативна напівхвиля - схема забезпечує обмеження зверху з нульовим порогом.

Роботу обмежувача (рис.117, а) ілюструють часові діаграми (рис.117, б).

Якщо змінити напрям включення діода (рис.117, в, г), то на виході схеми виділиться позитивна напівхвиля — схема забезпечує обмеження знизу з нульовим порогом.

Обмежувач з ненульовим порогом обмеження.

Для отримання порогу обмеження, відмінного від нуля, послідовно з навантаженням включають джерело постійної напруги Е (рис. 118).

У схемі, зображеній на рис.4.18, а за відсутності вхідного сигналу джерело Е надає катоду діода VD негативний потенціал, анод діода через джерело вхідної напруги з'єднується з позитивним виводом + Е, так що діод зміщується в прямому напрямі. В результаті до надходження вхідної напруги діод відкритий і через резистор R_н протікає струм, створюючи на ньому напругу з полярністю, вказаною на рисунку.

г)

Рисунок 118 - Обмежувач з ненульовим порогом обмеження

Якщо нехтувати опором джерела і як і раніше вважати R_н »R _пр, то основним опором в ланцюзі буде R_н, тому до моменту дії u_вх  напруга и_Rн ≈Е і 

u_вих = и_Rн - Е ≈ 0.

Позитивна напівхвиля u_вх  діє згідно з Е і майже цілком (R_н »R _пр) виділяється на резисторі R_н. Тому и_Rн = Е + u_вх   і и_вых = и_Rн -Е = u_вх, т. е. вихідна напруга, починаючи наростати від нуля, повторює всі зміни вхідної напруги.

При дії негативної напівхвилі u_вх  джерела Е і u_вх , виявляються включеними зустрічно, так що результуюча напруга в ланцюзі

u = Е - u_вх,

де u_вх (тут і далі) — абсолютне значення напруги.

Поки напруга  Е — и_вх  позитивна, діод зміщений в прямому напрямі, він проводить струм і напруга на виході рівна вхідної.

В деякий момент напруга наростаючої негативної напівхвилі u_вх досягає значення, рівного Е. При цьому діод закривається і подальше збільшення u_вх  не впливає на вихідну напругу.

Сказане ілюструється кривими (рис.118, г). Граничне значення потенціалу катода u_пр = -Е. Тому , як тільки потенціал анода u_вх стає меншим  u_пр  , діод закривається і на виході встановиться напруга u_вих = - Е. Таким чином, розглянута схема забезпечує обмеження знизу з негативним порогом U_обм = - Е.            

Якщо в схемі (рис.118,а) змінити полярність джерела Е і напрям включення діода, то вийде схема, приведена на рис.118,б. До моменту дії u_вх напруга на виході рівна нулю. Граничне значення потенціалу анода (після закриття діода), вище за яке воно не може бути, в цьому випадку складає

u_пр = Е.

Якщо потенціал катода рівний u_вх, вхідна напруга, що перевищує u_пр, на вихід передаватися не буде (див. криві рис. 118,д).

Комбінуючи обмеження зверху і знизу (рис.118, а, б), можна одержати двосторонній обмежувач (рис.118, в), який використовується для формування з синусоїдальної напруги трапецеїдальних імпульсів. Діод VD1 пропускає позитивну напівхвилю вхідної напруги, але обмежує негативну напівхвилю на рівні Е₁. Діод VD2 пропускає з навантаження R_H1 на вихід схеми обмежену негативну напівхвилю і обмежує на рівні Е₂ позитивну напівхвилю.

Тимчасові діаграми на рис.118,ж відповідають ідеальному діоду R_пр = 0, R_ЗВ = ∞.

ТРАНЗИСТОРНИЙ КЛЮЧ

До складу багатьох імпульсних пристроїв входять електронні ключі. Основою будь-якого електронного ключа є активні елементи (НП діоди, транзистори, тиристори, електронні лампи), які прцюють в ключовому режимі. Цей режим характеризується двома станами: «Включений» або «Виключений». Ключові пристрої (ключі) служать для комутації кіл навантаження під впливом зовнішніх керуючих сигналів.

Ключі входять як окремі елементи до складу складних пристроїв – тригерів, мультивібраторів і інші.

У залежності від виду елемента, застосованого для комутації, ключові пристрої поділяються на механічні (звичайний вимикач), електромеханічні (электромагнітне реле) і електронні (діоди, транзистори (БТ і ПТ), електронні лампи).

В основі більшості імпульсних пристроїв, у тому числі цифрових, є ключовий транзисторний підсилювач (рис.119,а).

Рисунок 119 – Транзисторний ключ

Коли  під дією керуючої напруги u_вх транзистор закритий, навантаження через резистор R_К підключено до джерела живлення Е_К. Якщо керуючою напругою забезпечується насичення (включення) транзистора навантаження виявляється зашунтованим його незначним опором і напруга на неї близька до нуля.

Ключ утримується в одному стані, поки на вході зберігається відповідний рівень сигналу. Резистор R_Б  обмежує струм бази, R_К - колекторне навантаження, Е_К – джерело колекторної напруги.

Основними параметрами транзисторного ключа є опори у включеному і виключеному станах, залишкова напруга на ключі і швидкодія, обумовлена часом переключення.

Режими транзистора. Відповідно до функцій ключа транзистор може знаходиться в одному з двох статичних режимів: режимі відсікання (транзистор закрытий) і режимі насичення (транзистор відкритий і насичений). Активний режим роботи обумовлений переходом з одного статичного режиму в іншій.

Режим відсікання (транзистор закритий) визначається точкою А1 на вихідних статичних характеристиках транзистора (рис.119,б). Він виникає при негативній керуючій напрузі, якщо вона забезпечує закриття емітерного переходу (u_БЕ <0, звичайно ≈0,4 В). Струм бази  I_Б = 0, колекторний струм I_К1 дорівнює початковому колекторному струму, а колекторна напруга U_КЕ = U_КЕ1 ≈ Е_К.

У режимі відсікання I_К = I_КБ0 ≈0, u_КЕ(вих) = Е_К - I_КБ0 R_К ≈ Е_К.

Режим насичення (транзистор відкритий) визначається точкою А2 на вихідних статичних характеристиках транзистора, виникає при позитивній керуючій напрузі, при цьому базовий струм I_Б  визначається в основному опором резистора R_Б - I_Б2  = U_ВХ / R_Б, оскільки опір відкритого емітерного переходу малий, і якщо базовий струм задовольняє умові

I_Б β ≥ I_КН,

де β – коефіцієнт підсилення базового струму; I_КН – струм насичення колектора.

Колекторний перехід також відкритий і струм колектора

I_К2 = I_КН ≈ Е_К / R_К,

а колекторна напруга u_КЕ2нас = Е_К - I_КН R_К ≈ 0 (звичайно ≈0,2 В).

З режиму відсікання в режим насичення транзистор переводиться дією позитивної вхідної напруги. При цьому підвищенню вхідної напруги (потенціалу бази) відповідає пониження вихідної напруги (потенціалу колектора), і навпаки. Такий ключ називають інвертуючим (інвертором).

Транзисторний ключ є найпростішим цифровим пристроєм, на основі якого будуються усі інші цифрові схеми.

Такий підсилювач часто використовують в якості підсилювача потужності сигналів керування виконавчими пристроями і контролю технологічних процесів. При цьому замість резистора R_К вмикається обмотка електромагнітного реле (К), невеликий електродвигун, сигнальна лампа та інше.

Тому що транзистор є інерційним приладом, то перехід ключа з одного стаціонарного стану в іншій відбувається немиттєво. Час перемикання ключів на БТ визначається ємностями p-n- переходів і процесами накопичення і розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі.

Для збільшення швидкодії і вхідного опору використовують ключі на польових транзисторах.

Ключі на польових транзисторах реалізуються на польових транзисторах типу МДН або МОН.

Від біполярних МДН-транзистори відрізняються великим вхідним опором за постійним струмом і меншою площею, займаної на ізоляційній основі при інтегральному виконанні. Ключ на МДН-транзисторі з индукованим каналом р-типу зображений на рис.120,а.

Рисунок 120 - Ключ на МДН-транзисторі з индукованим каналом р-типу

Опір резистора R_С має значення десятків кОм. Якщо напруга uкер між затвором З і витоком В менш негативна, чим гранична (порогова) (рис.120,б), транзистор закритий і стокова напруга u_С близька до –Е_С. Коли негативним керуючим імпульсом транзистор відкривається, робоча точка виявляється в крутій області стокових характеристик (рис.120,в), де залишкова напруга Uзал на транзисторі мала.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

1  В чому полягає поняття електронний ключ?

2  Подати особливості роботи транзисторного ключа в стані відсіку та насичення.

3  За якими параметрами здійснюється вибір транзисторного ключа?

4 Ключовий підсилювач за схемою рис.1 керує вмиканням сигнальнї лампи з параметрами U_НОМ = 48 В, І_НОМ =55 мА за сигналом від давача. Коли спрацьовує давач, на вхід надходить напруга U₁ = 4 В, вхідний струм при цьому І₁ = 1,5 мА. Напруга живлення схеми Ек = 48 В. Знайти коефіцієнти підсилення підсилювача за струмом і потужністю.

5 Розрахувати параметри транзисторного ключа (рис.5.3,а) , якщо напруга джерела живлення U = 40 B, потужність Р_н = 40 Вт та напруга навантаження U_н = 30 В. Період сигналу керування ключем T = 1 мкс.

ВИКЛАДАЧ– Ковальова Т.І.

ЛЕКЦІЯ № 33, 34 (4 год.)