Расчет генератора линейно возрастающего напряжения

Аннотация

В данной пояснительной записке представлены описание схемы и временных диаграмм, расчетные методики генератора линейно возрастающего напряжения. В соответствии с заданием рассчитаны необходимые параметры схемы.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать схему генератора линейно возрастающего напряжения. Исходные данные: длительность обратного хода _обр, максимальная амплитуда выходных импульсов U_вых, коэффициент нелинейности К_н, длительность импульсов определяется длительностью входных запускающих импульсов _u.вх, амплитуда запускающих импульсов U_вх, внутреннее сопротивление источника сигнала R_вн

Электронная вычислительная техника — сравнительно молодое научно-техническое направление, но она оказывает самое революционизирующее воздействие на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Существует множество различных электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.

Одним из видов генераторов является генератор пилообразного напряжения (ГПН).

Типичные формы пилообразного напряжения (ПН) показаны на рис. 1 Эти напряжения вначале возрастают или убывают до какого-то значения, а затем вновь возвращаются к исходному уровню.

Рис.1

Основными параметрами ПН (рис. 1) являются: длительность рабочего (Т_Р) и обратного (Т_О) ходов, период следования импульсов Т, амплитуда (высота) импульсов U_вых, коэффициент нелинейности и коэффициент использования напряжения источника питания .

Во время рабочего хода Т_р напряжение должно меняться по закону, близкому к линейному, т. е. изменяться почти с постоянной скоростью. Отклонение ПН от этого закона оценивается коэффициентом нелинейности, который характеризует относительное изменение скорости ПН du/dt на рабочем участке (за время Т_р):

Так как в качестве ПН используется напряжение на конденсаторе при его заряде или разряде, то, имея в виду известное соотношение между током и напряжением конденсаторе, выражение для можно записать в следующем виде.

где I_Cмакс и I_Cмин — максимальное и минимальное значение тока на рабочем участке ПН.

Коэффициент использования напряжения источника питания (который в дальнейшем для краткости будем называть коэффициентом использования напряжения) =U/E характеризует эффективность использования напряжения источника питания Е.

Во время обратного хода линейность ПН не обязательна, но почти всегда желательно иметь Т_о<<�Т_р (Т_р/T_o>>1).

Параметра ПН, используемых на практике, имеют следующие значения: амплитуда импульса U_вых — от единиц до сотен вольт; длительность рабочего хода Т_р — от нескольких микросекунд до нескольких сотен и тысяч миллисекунд; время обратного хода Т_о=(0,05?0,5)Т_р и более; коэффициент нелинейности ПН при использовании в осциллографе до 10%, в телевидении до 5%, в электронно-лучевых индикаторах до 2%, в точных схемах сравнения 0,1−0,2%; коэффициент использования напряжения — от нескольких процентов в простейших ГПН, до 90% в наиболее совершенных ГПН.

Для уменьшения нелинейности ПН во время рабочего хода в генераторах принимают меры к обеспечения постоянства тока, протекающего через конденсатор I_c. В идеальном случае при постоянном токе I_c за равные промежутки времени заряд на обкладках конденсатора изменялся бы на одно и то же значение, т. е. напряжение на конденсаторе изменялось бы по линейному закону:

;

В реальных схемах ГПН удается обеспечить лишь приблизительное постоянство (стабилизацию) тока конденсатора во время рабочего хода. При закон изменения напряжения на конденсаторе приближается к линейному.

Для стабилизации тока в ГПН применяют схемы с токостабилизирующими элементами в цепи заряда или разряда конденсатора и схемы с компенсирующей э.д.с.

Для получения компенсирующей э.д.с. применяются положительная или отрицательная обратная связь. При этом ГПН называются генераторами с отрицательной или положительной обратной связью.

1. Описание схемы генератора линейно возрастающего напряжения

Схема простейшего генератора линейно возрастающего напряжения приведена на рис. 2.

Рис. 2

В исходном состоянии транзистор находится в режиме насыщения. Пренебрегая остаточным напряжением Uкн насыщенного транзистора, следует принять, что Uc (0)=0. В момент времени t1 транзистор под действием входного импульса запирается. Если не учитывать время переходных процессов в транзисторе, то можно считать, что ток через конденсатор в момент времени t1 скачком возрастает до значения По мере заряда конденсатора напряжение uc возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени? з=RkC, стремясь к значению Ek-Iкб0Rk:

Ток Ic уменьшается с той же постоянной времени:

В момент времени t2, когда транзистор снова открывается, ток через конденсатор После момента времени t2 транзистор открывается и под действием базового тока Iб=Eк/Rб ток коллектора изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени разряда конденсатора

Временные диаграммы входного и выходного напряжений схемы приведены на рис. 3.

Рис. 3

2. РАСЧЕТ ГЕНЕРАТОРА ЛИНЕЙНО ВОЗРАСТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

2.1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Определяем напряжение питания, обеспечивающее заданные значения Um и Kн:

2. Выбираем тип транзисторов. Так как напряжение питания отрицательное, то для фантастрона следует выбирать биполярные транзисторы структуры p-n-p. Проверяем выполнение условия

.

В нашем примере выбираем транзисторы типа КТ505А со следующими параметрами: структура p-n-p, U_Кб=300 В; I_Кмин=10мА, h_21э=25; Fт=20МГц.

3. Находим номинал резистора в коллекторной цепи:

R6=25 кОМ

Степень насыщения транзистора для обеспечения заданных величин tи и tобр должна быть равной

R5=56,8 кОМ

4. Определяем емкость конденсатора, обеспечивающую заданный коэффициент нелинейности:

С3=20мкФ

5. Средняя мощность Pк.ср., рассеиваемая на транзисторе, не должна превышать допустимого для данного типа транзистора

6. Разделительный конденсатор Сp должен успевать разряжаться к приходу следующего входного импульса. Следовательно, для обеспечения минимального периода следования входных импульсов T=tи+tобр необходимо, чтобы

С2=820 нФ

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

На основании приведенного выше расчета выбираем элементы (для схемы электрической принципиальной данной в пункте 1):

В качестве транзисторов VТ1 и VТ2 был взят биполярный транзистор КТ505А, со следующими характеристиками:

Структура: p-n-p;

Граничная частота коэффициента передачи тока: 20 МГц;

Статический коэффициент передачи тока: 25−140;

Максимально допустимое напряжение коллектор-база: 300 В;

Максимально допустимый постоянный ток коллектора: 1 А;

Максимально допустима рассеивающая мощность коллектора: 1 Вт.

Выбираем конденсатор С₁, емкостью 1 мкФ К10−23−16В-1мкФ10%. В соответствии с рассчитанной емкостью С₃, подбираем следующий конденсатор: К10−23−16В-20мкФ5%, удовлетворяющий нашим требованиям и расчетам.

В качестве разделительного конденсатора С₂ выбираем конденсатор К10−23−16В-820нФ10%.

В соответствии с рассчитанными номиналами резисторов в пункте 2.1., имеем:

R₁ =249,7 кОм: МЛТ-0,125−240кОм2%;

R₂ =300 Ом: МЛТ-1−300Ом2%;

R₃ =5 кОм: МЛТ-0,125−5кОм2%;

R₄ =56,8 кОм: МЛТ-0,125−56кОм2%;

R₅ =25 кОм: МЛТ-0,125−27кОм2%;

Заключение

генератор возрастающее напряжение

В ходе выполнения данной курсовой работы была рассчитана схема генератора линейно возрастающего напряжения с заданными характеристиками:

— амплитуда выходного импульса U_вых=-25 В;

— длительность обратного хода _обр =5 мс;

— коэффициент нелинейности К_н=10%;

длительностью входных запускающих импульсов _u.вх=50мс;

амплитуда запускающих импульсов U_вх=-5В

Были рассчитаны и проверены параметры данной схемы.

список использванной литературы:

1. Бочаров Л. Н. Расчет электронных устройств на транзисторах, М. 1978.

2. Старыгин С. В. Электроника: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей 230 101, 230 105, 90 105, Йошкар-Ола, 2007.

3. Расчет электронных схем. Под ред. Г. И. Изъюровой — М.: Высш. шк., 1987.