Импульсные устройства на транзисторах

Транзисторные ключи. В отличие от диода транзистор является трехполюсным элементом, содержащим входную и выходную цепи. Поэтому в импульсной технике транзисторы используются как управляемые ключи. Особенности таких ключей рассмотрим на примере биполярного транзистора, воспользовавшись схемой на рис. 1, я. В транзисторе непосредственно функции ключа выполняет промежуток коллектор-эмиттер, промежуток база-эмиттер управляет его состоянием. О состоянии транзистора можно судить по коллекторному току /_к, значение которого определяется следующими соотношениями:

Рис. 1. Транзисторный ключ (а) и его свойства (6, в, г) Первое соотношение отражает закон Ома для коллекторной цени (рис. 1, я) и называется нагрузочной прямой, второе — семейство вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора (рис. 1,6). Воспользуемся графическим методом решения системы уравнений (см. п. 9.6), для чего нанесем нагрузочную прямую на семейство характеристик по точкам i_K= /_к= EJR_K при «_к = 0 и и_к = Е_к при /_к = 0 (рис. 1,6). Коллекторный ток задается базовым током и определяется точкой пересечения характеристик для 1*6= const с нагрузочной прямой. На семействе ВАХ для импульсного режима представляют интерес две точки:

=> точка 1, для которой коллекторный ток имеет весьма малое значение. Этой точке соответствует режим отсечки, или закрытое состояние транзистора (рис. , в);

=> точка 2, для которой коллекторный ток имеет максимальное значение. Этой точке соответствует режим насыщения, или открытое со;

стояние транзистора. В режиме насыщения ток коллектора перестает управляться током базы и можно считать, что между всеми выводами транзистора имеется короткое замыкание, т. е. транзистор как бы стягивается в точку (рис. 1, г).

Рассмотрим некоторые импульсные устройства с транзисторными ключами, используя для простоты изложения работы импульсных схем модели транзистора, представленные на рис. 1, в, г.

Рис. 2. Схема одновибратора с двумя источниками напряжения.

Одновибра юры. Общие сведения. Одновибратор, или ждущий мультивибратор, относится к классу моностабильных импульсных устройств с одним длительно устойчивым и одним кратковременно устойчивым состоянием, которое называется квазисостоянием. Одновибратор имеет один вход, предназначенный для запускающего импульса, и один выход для снятия выходного напряжения. После подачи питания одновибратор переходит в устойчивое состояние равновесия, в котором с его выхода снимается постоянное напряжение. В таком состоянии одновибратор будет находиться до поступления на его вход запускающего импульса. С его появлением одновибратор переходит во временно устойчивое состояние с другим уровнем выходного напряжения. В этом состоянии одновибратор находится конечное время, определяемое параметрами схемы, после чего автоматически возвращается в исходное устойчивое состояние равновесия. По сути дела, одновибратор представляет собой формирователь одиночного прямоугольного импульса иод действием запускающего импульса.

Одновибраторы применяют для стандартизации импульсов по длительности, для задержки, деления частоты повторения импульсов, управления работой электромагнитных реле.

Схема и принцип работы. Для выявления особенностей работы воспользуемся схемой одновибратора с двумя источниками напряжения, изображенной на рис. 2.

Исходное состояние одновибратора (рис. 3,а, в). Транзистор VT2 открыт и насыщен базовым током, протекающим через резистор ₂— Напряжение на его базе и коллекторе м_б2 = = 0. Транзистор VT заперт отрицательным напряжением м_б1=-?/_б]. Это напряжение снимается с.

делителя напряжения R, /?бь включенного между коллектором открытого транзистора УТ₂ и источником напряжения -Е (_у Конденсатор С заряжен током, протекающим по цепи: +Е_К —"R_K —> С —" база — эмиттер УТ₂, до напряжения +Е_К, поэтому напряжение на коллекторе транзистора VT] равно м_к1 = +Е_К.

Квазисостояпие (рис. 3,6,в). Запускающий импульс и_аи в момент времени /| открывает транзистор VT. Напряжение на левой обкладке конденсатора становится равным нулю (и_к = 0), а на правой—Е_к. Следовательно, к базе VT2 прикладывается напряжение иб₂ — — Е_к и транзистор VT2 закрывается. Напряжение на его коллекторе и_к2 = U& ^{< <}Е_К определяется делителем напряжения, составленным из резисторов R_K2, R. Открытое состояние транзистора VT] поддерживается базовым током, протекающим через резисторы RR.

Рис. 3. Принцип работы одновибратора.

При t > t происходит процесс перезарядки конденсатора С по цепи +Е_К —> Т? б2 —> С —" коллектор — эмиттер VT под воздействием напряжения, равного 2Е_к, с постоянной времени /?_б2С (рис. 3, в). В момент времени /₂, когда напряжение на базе щ₂ (на правой обкладке С) превысит нуль,.

открывается транзистор VTj. Напряжение на его коллекторе становится равным нулю, благодаря чему запирается транзистор VT и после заряда конденсатора, но цени +Е_К —> R_K —> С —> база — эмиттер VTi одновибратор возвращается в исходное состояние.

Другие схемные решения одновибраторов. На рис. 4, а изображена схема одиовибратора с эмиттериой связью, содержащего один источник питания. В этой схеме в исходном (длительно устойчивом) состоянии транзистор VT2 открыт и насыщен, транзистор VT закрыт. Открытое состояние VTi поддерживается базовым током, протекающим через резистор R&, а закрытое состояние транзистора УТ — резисторами R, R₂ и /?,. Их сопротивления выбираются такими, чтобы напряжение база-эмиттер транзистора VT] было меньше нуля. Напряжение на конденсаторе С несколько меньше и равно.

После подачи запускающего импульса на базу транзистора VT одновибратор переходит во временно устойчивое состояние, когда открыт и насыщен транзистор VT , а транзистор VT2 закрыт. В этом состоянии происходит перезаряд конденсатора С. После того как Uc станет равным нулю, транзистор VT2 открывается и одновибратор возвращается в устойчивое исходное состояние.

Недостаток рассмотренных схемных решений состоит в том, что изза большой постоянной времени R_K]C затягивается процесс восстановления исходного состояния (рис. 3, в).

Рис. 4. Схемы одновибраторов с эмиттерной связью (а) и дополнительным эмиттерным повторителем (б).

Приведенная на рис. 4,6 схема одновибратора лишена указанного недостатка благодаря введению эмиттерного повторителя на транзисторе УТ$. В этой схеме после перехода транзистора УТ$ в открытое состояние конденсатор С заряжается через открытый транзистор VT-? (вместо R_K|), имеющий значительно меньшее сопротивление, чем R_K. Благодаря принятой мерс нс только уменьшается длительность среза формируемого импульса, но и появляется возможность повышения частоты запускающих импульсов. Полупроводниковый диод VD предназначен для создания цепи перезаряда конденсатора в квазистатическом состоянии: +Е_К —"/?_б2 —> С —" VD —> коллектор-эмитгер УТ.

Мультивибратор. Назначение и схемные особенности. Мультивибратором называют релаксационный автогенератор, предназначенный для генерирования прямоугольных импульсов с заданной длительностью и частотой повторения в тех случаях, когда не предъявляется жестких требований к стабильности указанных параметров. Простейшая схема мультивибратора изображена на рис. 5, я и представляет собой два замкнутых в кольцо инвертора. Такое же схемное решение используется в триггерах. Однако в отличие от триггеров инверторы мультивибратора разделены по постоянному току с помощью конденсаторов и установлены в усилительный режим. Таким образом, в мультивибраторах используется общий принцип генерирования колебаний: положительная обратная связь и усиление, что обеспечивается инверторами. В отличие от LC-генераторов гармонических колебаний в мультивибраторах используется широкополосная нагрузка в виде резисторов R_K], R_k2. Поэтому генерируемые колебания имеют прямоугольную форму.

Принцип работы. Рассмотрим работу симметричного мультивибратора (рис. 5, я), схемные параметры которого удовлетворяют следующим равенствам: R_K = R^ = R_K" Rgi ⁼ Rgi⁼ Rg> C = C₂ = С. Полагаем, что мультивибратор находится в состоянии 1 (рис. 5,6,г), в котором транзистор VT открыт («_к] = Щ = 0), а транзистор УТ₂ — закрыт. В этом состоянии:

=> происходит заряд конденсатора С по цепи: +? —> R_k2 —> С —> база — эмиттер VT с постоянной времени R&Ci. Поэтому на коллекторе транзистора УТ₂ устанавливается напряжение и_к2 = Е

=> осуществляется перезаряд конденсатора С₂ (предварительно заряженного) по цепи: +Е —> R& —> С₂ —> коллектор — эмиттер УТ с постоянной времени R^₂C₂. После того как напряжение на правой обкладке конденсатора С₂ или на базе УТ₂ превысит нуль (м_б2 = 0), открывается транзистор УТ₂ и мультивибратор переходит в состояние 2.

В состоянии 2 (рис. 5, в, г):

=> сразу же после открывания VT₂ происходит запирание транзистора VT отрицательным напряжением и& = -Е, снимаемым с левой обкладки конденсатора С₂

=> происходит заряд конденсатора С₂ по цепи: -*-?? —> /?_К| —> <7₂ —> база — эмиттер VT с постоянной времени R_KC₂. Поэтому па коллекторе транзистора VT_{ устанавливается напряжение м_к| = Е

=> осуществляется перезаряд конденсатора С (предварительно заряженного) по цепи: +Е —> R& —> С —> коллектор — эмиттер УТ₂ с постоянной времени R&C. После того как напряжение на правой обкладке конденсатора С или на базе VT превысит нуль (wgi ~ 0), открывается транзистор VT] и мультивибратор переходит в состояние 3.

Далее процессы повторяются.

Рис. 5. Мультивибратор и принцип его работы.

Мультивибраторы имеют невысокую стабильность длительности периода Т колебаний, так как на величину Т существенное влияние оказывают обратный ток коллекторного перехода и напряжение запирания транзистора, которые в значительной мере зависят от температуры окружающей среды. Поэтому для получения последовательности прямоугольных импульсов обычно используется режим синхронизации мультивибраторов.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения. Общие сведения. Такие генераторы предназначены для формирования линейно нарастающего и линейно спадающего напряжения (рис. 6).

Основными параметрами линейно изменяющегося напряжения являются: период повторения Г; длительности рабочего хода Г_РХ, обратного хода Т_ох и ожидания Т_ож; амплитуда U, линейность рабочего хода, для оценки которой используют коэффициент нелинейности:

Рис. 6. Линейно нарастающее и линейно спадающее напряжения.

Принцип получения линейно изменяющегося напряжения основан на заряде (разряде) конденсатора.

_ du_r i_c

Так как скорость изменения напряжения на конденсаторе -= —, то.

dt С

для получения линейного напряжения необходимо заряжать конденсатор постоянным током i_c = const. Поэтому схемы генераторов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) строятся с использованием ключей для подсоединения конденсаторов к цепям заряда (разряда) и токостабилизирующих устройств. На рис. 7 приведены структурные схемы ГЛИН для формирования линейно нарастающих и спадающих напряжений.

Рис. 7. Структурные схемы формирователей линейно нарастающих и спадающих напряжений.

Рассмотрим некоторые варианты принципиальных схем ГЛИН, отличающиеся способами стабилизации зарядного (разрядного) тока конденсатора.

Генератор на основе R С — ц е п и. Схема такого генератора с линейно нарастающим напряжением, приведенная на рис. 8, я, содержит зарядную ЯС-цепь, транзистор VT с резистором /?_б в базовой цепи и разделительный конденсатор С_р, связывающий генератор с источником импульсов ц_вх(/);

В исходном состоянии (и^ = 0) транзистор VT открыт и насыщен током базы, который задается выбором соответствующего значения Re. Напряжение на его коллекторе, а следовательно, на конденсаторе С и на выходе генератора близко к нулю (рис. 8, в). При подаче на базу транзистора отрицательного импульса длительностью т_и транзистор закрывается и конденсатор начинает заряжаться от источника питания +Е через резистор /?_к, (рис. 8,6). Напряжение на конденсаторе и на выходе схемы изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к +Е (рис. 8, в). По окончании действия входного импульса транзистор VT открывается и конденсатор быстро разряжается.

Рис. 8. Принципиальная схема генератора линейно нарастающего напряжения и принцип ето работы.

Недостаток схемного решения — низкий коэффициент использования напряжения питания U/E, так как для получения малых искажений задействован начальный участок экспоненты.

Генератор с токостабилизирующим транзистором. Генератор позволяет сформировать линейно спадающее напряжение. Схема генератора приведена на рис. 9. Ее отличие от рассмотренной выше схемы состоит в том, что:

=> конденсатор С включен последовательно с транзистором VT, выполняющим функции управляемого ключа;

=> дополнительно введен каскад с общей базой на транзисторе VT₂, предназначенный для стабилизации разрядного тока конденсатора. Известно,.

что каскад с общей базой обладает высоким выходным сопротивлением, а поэтому является источником тока (/^ = const), направление протекания которого соответствует току разряда конденсатора С. Как видно из рис. 9, в, при фиксированном токе базы i^i = const коллекторный ток транзистора VT₂ изменяется в незначительных пределах.

При отсутствии входного импульса (м_вх = 0) конденсатор С быстро заряжается через открытый транзистор VT с постоянной времени R_KC до напряжения +Е (рис. 9,6).

С поступлением входного импульса и_вх отрицательной полярности транзистор VT запирается. Начинается разряд конденсатора С постоянным коллекторным током /_к2 через транзистор VT₂ каскада с общей базой в течение действия импульса /_и (рис. 9,6).

После окончания импульса открывается транзистор VT, и процессы повторяются.

Рис. 9. Генератор линейно спадающего напряжения и принцип его работы.

Генератор с компенсирующим напряжение м. Такой генератор обеспечивает наименьшее значение показателя нелинейности (1). Для пояснения принципа действия компенсирующего напряжения воспользуемся схемой на рис. 10, я. Протекающий по цени зарядный ток равен.

Если u_K(t) = udt), то i (t) = E/R, т. е. конденсатор С заряжается постоянным током, поэтому скорость заряда конденсатора постоянна и напряжение изменяется по линейному закону.

Схема генератора, реализующая принцип компенсации, изображена на рис. 10,6. В ее состав входят:

=> каскад на транзисторе УТ, представляющий собой по сути дела рассмотренный выше ГЛИН на основе /?С-цепи (рис. 1,а). Отличие со;

стоит лишь в том, что в коллекторную цепь дополнительно включен диод VD, функции которого будут пояснены ниже;

=> эмитгерный повторитель на транзисторе VT₂, выполняющий функции источника компенсирующего напряжения. Вход эмиттерного повторителя подключен к выходу первого каскада; выход является выходом генератора;

=> конденсатор С₀ «С, выполняющий функции источника постоянного напряжения Е (рис. 10м). Конденсатор Со включен между общей точкой VD и R_K.

В исходном состоянии транзистор VT открыт и насыщен. Напряжение на конденсаторе С практически равно нулю, поэтому транзистор VT₂ закрыт и напряжение на выходе генератора м_вых = 0. Конденсатор С₀ заряжен до напряжения VT1 по цепи: +Е —> VD —> С₀ —> R? —> общая точка схемы.

С поступлением входного импульса отрицательной полярности транзистор VT закрывается, и конденсатор С начинает заряжаться от источника питания +Е через диод VD и резистор R_K. Возрастающее напряжение U_c на конденсаторе С передается через эмиттерный повторитель и конденсатор Со (не успевающий заряжаться из-за большого значения емкости) на катод VD, и диод запирается. Образуется автономная цепь заряда конденсатора С: +С₀ —> R_K —" С —> эмиттерный повторитель на УТ₂ —" - С₀, эквивалентная по функциям цепи на рис. 10,а. По этой цепи происходит дальнейший заряд до окончания входного импульса, после чего схема вернется в исходное состояние.

Рис. 10. Генератор линейно нарастающего напряжения с компенсирующим напряжением.