Генераторы пилообразных напряжений

Во многих электронных устройствах используется напряжение или ток, линейно изменяющийся во времени (ЛИН).

При этом может быть:

а) напряжение (ток) линейно возрастает. Такое напряжение называется линейно нарастающим(ЛНН);

б) напряжение (ток) линейно убывает. Такое напряжение называется линейно падающим (ЛПН).

Для ЛИН их начальное значение всегда меньше конечного, а для ЛПН – наоборот (рис.2.45).

Периодически повторяющиеся линейно изменяющиеся напряжения называются импульсами пилообразной формы.

Рис. 2.45. Импульсы напряжений пилообразной формы.

Эти импульсы характеризуются следующими параметрами:

а) Периодичность повторения импульсов характеризуется периодом повторения Т или обратной ему величиной F.

В общем случае период Т состоит из следующих составляющих:

tпр - время прямого хода пилы;

tобр - время обратного хода;

tп - пауза, которая может и отсутствовать;

б) Амплитуда импульсов Um;

в) Начальное напряжение Uo;

г) Коэффициент использования напряжения источника питания. Это отношение вида Um, показывающее, насколько амплитуда меньше

возможной; Е

д) Коэффициент нелинейности К, определяемый выражением:

dUdU

К=

dt t=o dt t=tпр

dU

dt t=o

Основное требование, предъявляемое к прямому ходу, состоит в том, чтонапряжение U должно изменятся во времени по линейному закону, т.е. графически это должна быть наклонная под некоторым углом a к оси времени прямая линия (ОА). Реально скорость изменения напряжения dU/dt не постоянна, она максимальна в начале, а потом уменьшается, т. е. aн > aк

Для оценки отклонения реальной кривой ОВ от идеальной ОА вводится вышеуказанный параметр К, который определяет относительное приращение скорости изменения напряжения за время прямого хода. В идеальном случае К=0.

Обратный ход пилы напряжения должен быть скоротечным, то есть должно выполнятся: tобр << tпр.

В общем случае, для получения линейно изменившегося напряжения необходимо осуществить заряд конденсатора, включенного по схеме изображенной на рисунке 2.46.

Рис.2.46. Общая схема генератора ЛИН.

Для формирования пилообразного напряжения необходимо изменять значения сопротивлений Rз и Rр, то есть, во время прямого хода должно выполняться условие: Rз << Rр. Во время обратного хода емкость должна быстро разрядиться через разрядное сопротивление поэтому необходимо выполнить обратное условие: Rр << Rз.

Для получения линейной зависимости изменения напряжения конденсатора используются следующие методы:

а) Использование лишь начального участка экспоненты напряжения Uc. Для этого необходимо увеличивать постоянную времени данной RC – цепи: t= Rз * C, как правило увеличивают Rз;

б) Получение постоянного тока заряда ic, значение которого при заряде ёмкости через активное сопротивление равно:

ic =

E - Uc

Rз

где: E - напряжение источника; Uc - напряжение на конденсаторе.

По мере заряда конденсатора напряжение Uc растет, а ток iс уменьшается. Стабильность тока заряда обеспечивается следующими способами:

1) Производить заряд конденсатора через переменное зарядное сопротивление R3. В качестве такого нелинейного сопротивления используются электронные лампы типа пентод или транзисторы;

2) Использовать в процессе заряда источник переменного типа, у которого с ростом Uc пропорционально растет и напряжение E. Такие генераторы ЛИН называются генераторами компенсационного типа.

Генераторы пилообразных напряжений могут работать в следующих режимах:

а) Внешнего управления, когда выполняется условие:

tпр = tупр,

т.е. длительность прямого хода определяется длительностью управляющего импульса;

б) Ждущем, когда короткий управляющий импульс задает лишь начало прямого хода, а длительность пилы определяется процессами в самом генераторе;

в) Автоколебательном, т.е. пилообразные импульсы формируются без каких-либо внешних управляющих импульсов, а параметры этих импульсов определяются самой схемой ГПН.

Рассмотрим ГПН на электронной лампе с зарядным токостабилизирующим пентодом (рис.2.47).

Рис. 2.47. ГПН с зарядным токостабилизирующим пентодом.

Ключевая лампа Л2 открыта, так как через резистор Rg управляющая сетка соединена с источником анодного питания Eа. Внутреннее сопротивление лампы Л2 мало и конденсатор заряжен до напряжения Uа min.

При подаче в момент t1 на вход схемы импульса отрицательной полярности лампа Л2 закрывается, ее ток равеннулю. Емкость С заряжается по цепи:

+Еа анод-катод Л1 Rk C корпус(-Еа)

В катодной цепи лампы Л1 имеется сопротивление отрицательной обратной связи по току Rk, на котором появляется падение напряжения.

Это напряжение минусом приложено к управляющей сетке лампы Л1, плюсом - к катоду лампы. Чем больше ток лампы Л1, тем больше отрицательное смещение на управляющей сетке лампы Л1, которая подзакрывается и ток ia уменьшается.

Таким образом, создается дополнительная отрицательная обратная связь по току, обеспечивающая высокую стабильность тока заряда емкости С.

По мере заряда емкости напряжение Uвых растет, а за счет роста падения напряжения на сопротивлении Rk разность потенциалов между анодом и катодом Л1 будет стремиться к Ua min.

В момент t2 входной импульс заканчивается, лампа Л2 откроется, ее внутреннее сопротивление резко уменьшится и заряженная емкость через открытую лампу быстро разрядится до Ua min.

При подаче на вход схемы следующего управляющего импульса отрицательной полярности заряд и последующий разряд емкости С повторится.

Токостабилизирующий пентод может использоваться и в цепи разряда емкости для получения пилообразных импульсов отрицательной полярности.

Таким образом, используя электронную лампу в качестве нелинейного сопротивления в цепи заряда (разряда) конденсатора, можно добиться линейного, а не экспоненциального изменения напряжения на нем.

В генераторе рассмотренного типа коэффициент нелинейности К составляет всего 1-5%.

Вывод: 1.Генераторы пилообразных напряжений в электронных устройствах используются для формирования импульсов пилообразной формы.

2.Принцип действия ГПН основан на заряде и последующем разряде емкости схемы.

3.Требуемое качество выходных пилообразных импульсов обеспечивается стабильностью тока заряда емкости за счет применения генераторов компенсационного типа или использования переменного зарядного сопротивления.