Релаксационных колебаний

Принцип работы релаксационных генераторов основан на периодически повторяющихся процессах заряда и разряда конденсатора, причем заряд конденсатора емкостью С осуществляется через резистор с большим сопротивлением, а разряд — через управляющий элемент с малым сопротивлением.

В вычислительной технике, автоматике, промышленной электронике широко применяются импульсные устройства. Наибольшее распространение находят компараторы, а также генераторы прямоугольных, пилообразных, треугольных и других импульсов, относящиеся к классу релаксационных генераторов, в которых используются процессы зарядки и разрядки конденсатора.

Мультивибраторы на основе логических ИМС обычно применяют в цифровой аппаратуре, так как при этом наиболее полно обеспечивается унификация элементной базы. Кроме того, не требуется согласование по уровням сигналов релаксационных генераторов и других устройств ап- 6)

Одним из видов релаксационных генераторов является мультивибратор, вырабатывающий электрические колебания, форма которых близка к прямоугольной. Такие колебания имеют широкий спектр частот, т. е. из колебаний, генерируемых мультивибратором, можно получить большое число гармоник. Этим определяется название мультивибратора, обозначающее в переводе с латинского — генератор множества колебаний.

Особенность релаксационных генераторов — их способность относительно легко синхронизироваться (управляться). Обычно это достигается подачей импульсов (положительной или отрица- • тельной полярности), следующих с частотой, близкой к рабочей частоте релаксатора (или кратной ей). Таким образом достигается практически синхронная работа многих генераторов, входящих в состав весьма сложного радиоэлектронного устройства (например, радиолокатора, ЭВМ и т. д.). Синхронизируемые релаксационные генераторы очень часто используются в заторможенных («ждущих») режимах работы.

Рассмотрим некоторые основные схемы электронных ключей, которые могут входить в схему релаксационных генераторов либо работать самостоятельно от управляющего воздействия импульсов.

Диодные ключи применяются в схемах релаксационных генераторов и в качестве ограничителей амплитуд сигналов и пороговых устройств. На 12.16 показана форма напряжения до диодного ограничителя (см. 12.14, а) и на его выходе. Такой ограничитель используется в качестве ограничителя-формирователя импульсных сигналов. Обширная область применения диодных ключей — в качестве устройств амплитудной селекции (выделения).

Работу релаксационных генераторов, работающих в автоколебательном режиме, часто оценивают скважностью импульсов Q = = T/ta, где Т — период следования импульсов автогенератора; tH — длительность импульсов автогенератора. Чем больше значение скважности, тем экономичнее генератор. Для мультивибратора наибольшее значение скважности может быть Q^IO. Там, где нужно иметь скважность Q>10, используют блокинг-генераторы.

Укорочение импульсов применяется для формирования кратковременных импульсов из перепадов напряжения или тока, для уменьшения длительности импульсов при запуске и синхронизации релаксационных генераторов, триггеров и т. п. Для укорочения импульсов обычно применяются дифференцирующие цепи в виде емкостного или индуктивного контура. В схемах на униполярных транзисторах укорачивающие цепи подключаются к выходу усилителя." В устройствах на биполярных транзисторах отдают предпочтение схемам с укорачивающей цепью на входе усилителя. В качестве усилителя наиболее часто используются логические ИМС. Укорочение импульсов можно реализовать при помощи формирователя, действие которого основано на использовании собственной задержки распространения сигнала в цепи логических элементов.

Как было показано, обязательным элементом релаксационных генераторов является устройство, имеющее гистерезисный характер зависимости ывых = /(ивх). В импульсных генераторах, рассмотренных в гл. 6, таким устройством являлся двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью и коэффициентом усиления, большим единицы. Однако при наличии на в. а. х. используемого в генераторе прибора участка отрицательного сопротивления гистерезисный характер зависимости ывых = /(ывх) может быть получен и в однокас-кадном устройстве.

UilR, проводим нагрузочную прямую. Напряжение ?/вых 1( соответствующее абсциссе точки пересечения нагрузочной прямой с в. а. х. i = = f(u), является напряжением на выходе схемы 7.1, б при ывх = = 11 i. Аналогично находим выходное напряжение при ивх = t/2 > Ult "вх = ^з и т. д. При «вх = U3 нагрузочная прямая имеет две общие точки с в. а. х. i = f(u), при UBI =lI^ — три. Зная соотношение между ыв и ывых, строим зависимость ывых =/(ывх). Данный график ( 7.1, г) имеет гистерезисный характер, что свидетельствует о возможности применения приборов с участком отрицательного сопротивления на в. а. х, для построения релаксационных генераторов. Все существующие приборы с отрицательным сопротивлением — электронные лампы, поставленные в транзитронный или динатронный режим; газонаполненные приборы, например неоновые лампы; одно-переходные и лавинные транзисторы, тиристоры, туннельные диоды подразделяют на две группы: приборы с S- и W-образной в. а. х. (W-образная в. а. х. показана на 7.1, а). Типичным представителем приборов с W-образной в. а. х. является туннельный диод

На практике применяются также генераторы релаксационных колебаний: форма таких автоколебаний резко отличается от синусоидальной, причем в состав генератора входит только один накопитель энергии (обычно емкость). В релаксационном генераторе энергия периодически запасается реактивным элементом и затем расходуется в сопротивлении.

На 5-31, а изображена схема простейшего генератора релаксационных колебаний с ионным диодом (неоновая лампа).

5-31- Генератор релаксационных колебаний с ионным диодом.

5-32. Генератор релаксационных колебаний с тиратроном.

G помощью элементной базы оптоэлектроники можно создавать логические схемы типа И, ИЛИ, НЕ, НЕ — ИЛИ и более сложные, на основе которых синтезируются регистры, полусумматоры, преобразователи электрических сигналов, триггеры, генераторы релаксационных колебаний и т. д.

По форме колебаний генераторы подразделяют на генераторы синусоидальных (точнее, почти синусоидальных) и генераторы несинусоидальных колебаний. Последние имеют резко несинусоидальную форму колебаний с разрывом функции или ее производной и называются генераторами релаксационных колебаний.

Важнейшими параметрами однопереходных транзисторов являются ток включения /ВКЛ) рассеиваемая мощность Ртах и межбазовое сопротивление г6б2. Например, для транзистора КТ117А /ВКл = 20 мкА, Ртах = 300 мВт, гб вг =4-^-9 кОм. Однопереходные транзисторы используют обычно в качестве ключевых элементов в генераторах релаксационных колебаний.

11.44. Тиратрон дугового разряда используется в простейшей схеме генератора релаксационных колебаний, изображенной на 11.12. Напряжение источника питания ?а=500 В, емкость конденсатора С=0,01 мкФ, сопротивление резистора нагрузки #я=50 кОм. Определить частоту генератора, если напряжение возникновения разряда тиратрона f/B.p=225 В и напряжение погасания ?/„=10 В.

Генераторы релаксационных колебаний можно рассматривать как преобразователи энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний. Они имеют накопитель энергии только одного типа, в большинстве случаев конденсатор. В релаксационных генераторах накопитель энергии периодически заряжается, а затем с помощью переключателя разряжается до определенного уровня. После этого переключатель вновь отключает цепь разряда и подключает накопитель к цепи заряда.

Переключатель управляется обратной связью. Роль переключателя выполняет транзистор, который закрыт при накоплении энергии и открыт при стоке энергии в разрядную цепь. Если разряд осуществляется на активное сопротивление, то на последнем выделяется почти вся энергия, накопленная в конденсаторе. Частота колебаний определяется не только параметрами схемы, но и режимом работы транзистора. Принцип работы генератора релаксационных колебаний показан на структурной схеме ( 117).

§ 33. ГЕНЕРАТОРЫ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ