Электроника учебное пособие

Стабилизаторы в интегральном исполнении представлены микросхемами серии К142ЕНх, отличие которых друг от друга заключается в величинах входных и выходных напряжений, а также в значениях допустимых токов в нагрузке.

Для ЭВМ используется микросхема К142ЕН5, обеспечивающая стабилизацию напряжения на выходе на уровне 5 В.

Контрольные вопросы

1.Каковы разновидности источников вторичного питания и их назна-

чение?

2.Назовите основные характеристики источников вторичного питания.

3.Поясните принцип работы однополупериодной и двухполупериодных схем выпрямления. Каковы их характеристики?

4.Как различиются формы выходного напряжения однополуперионой и двухполупериодной схем выпрямления?

5.Назовите разновидности амплитудных ограничителей. Каково их назначение?

6.Какие задачи решают устройства стабилизации напряжения пита-

ния?

7.Чем отличается стабилизация среднего и мгновенного значений выходного напряжения?

8.Как определяется эффективность сглаживающих фильтров?

9.Поясните принцип работы сглаживающего фильтра.

10.Как классифицируются стабилизаторы среднего значения выходного напряжения?

11.Изложите принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения.

131

Глава 12. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Генератором электрических сигналов называется устройство, пре-

образующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний.

Независимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режим автоколебаний и режим запуска внешними импульсами.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором. Выходное переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут сколь угодно долго находиться в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератора, на его выходе формируется выходной сигнал. Такой режим работы генераторов часто называют ждущим или заторможенным.

Автогенераторный режим работы применяется в устройствах, используемых в качестве задающих генераторов, а ждущий – в устройствах, преобразующих форму импульсов к требуемому виду.

§ 12.1. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Для получения напряжения пилообразной формы используют генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Их подразделяют на генераторы линейно нарастающего и генераторы линейно падающего напряжения. В первом случае за время, равное длительности прямого хода, происходит изменение генерируемого напряжения от минимального уровня до максимального, во втором – от максимального до минимального.

Рассмотрим принципы получения пилообразного напряжения. Закон изменения напряжения, близкий к линейному, можно получить на конден-

132

Для уменьшения коэффициента нелинейности при значительной амплитуде Um в рассмотренной схеме требуется использовать высоковольтный источник Е0, поскольку

γн ≈ Um / E0 .

Врассмотренной простейшей схеме в качестве ключа можно использовать транзистор, работающий в ключевом режиме. Схема такого генератора линейно изменяющегося напряжения показана на рис. 12.3, а. В исходном состоянии выбором сопротивления резистора Rб обеспечивается

ток базы, достаточный для насыщения транзистора. При этом напряжение на коллекторе, а следовательно, и на конденсаторе С близко к нулю.

В момент времени t1 на базу транзистора через конденсатор Ср по-

дается импульс прямоугольной формы отрицательной полярности (рис. 12.3, б), в результате чего транзистор переходит в режим отсечки. Конденсатор С начинает разряжаться через резистор Rк от источника питания E0 по экспоненциальному закону. В момент времени t2 импульс на входе заканчивается, транзистор переходит в режим насыщения, и конденсатор начинает разряжаться.

Рис. 12.3. Схема ГЛИН на транзисторе (а) и временные диаграммы его работы (б)

Для обеспечения приемлемой линейности пилообразного напряжения требуется использовать высоковольтный источник питания E0 >> Um , что является недостатком данной схемы. Для защиты транзистора от возможного пробоя используется предохранительный диод D. На него подается обратное напряжение смещения Eд , по величине равное максимально допустимому напряжению на коллекторе транзистора Uк. доп . Если в ре-

134

зультате работы данной схемы ГЛИН окажется, что Uк > Uк. доп , то диод откроется и ограничит нарастание напряжения на коллекторе.

§ 12.2. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибратор – это генератор импульсов прямоугольной формы заданной длительности. В зависимости от назначения используют два типа мультивибраторов: автоколебательный, в котором отсутствует устойчивое состояние, и ждущий, обладающий одним состоянием устойчивого равновесия.

Автоколебательные мультивибраторы используются в качестве генераторов импульсов почти прямоугольной формы в том случае, когда к стабильности их частоты повторения и длительности не предъявляются жесткие требования. Простейшая схема такого мультивибратора показана на рис. 12.4. Если симметричные элементы схемы имеют одинаковые номиналы и параметры, то мультивибратор называется симметричным. В данной схеме нет постоянно устойчивого состояния.

Рассмотрение работы данной схемы мультивибратора начнем с мо- мента времени t0, когда происходит очередное переключение схемы и

процесса, связанных с перезарядкой емкостей C1 и C2 .

Так, конденсатор C1 начинает перезаряжаться от источника питания через резистор Rб2 и насыщенный транзистор T1 ( E0 → Rб2 → C1 → T1 ).

135

Напряжение на его правой обкладке (на базе транзистора) растет от величины − E0 до + E0

ется зарядом конденсатора C2 от источника питания через резистор Rк2 и эмиттерный переход насыщенного транзистора T1 ( E0 → Rк2 → C2 → T1 )

Uc2 = E0 (1− exp (− tRк2C2 )).

Время восстановления напряжения на коллекторе транзистора T2 определяется следующим соотношением:

tф = t1 − t0 = 2,3Rк2C2 .

В момент времени t2 произойдет очередное переключение транзисторов. Возникающее после опрокидывания большое отрицательное напряжение на базе транзистора T1 удерживает схему во втором переменно устойчивом состоянии, при котором транзистор T1 находится в режиме отсечки, а транзистор T2 – в режиме насыщения. Далее процесс пойдет аналогично описанному. Ввиду симметрии схемы мультивибратора процессы во время второго полупериода колебаний протекают аналогично процессам первого полупериода, только теперь времязадающей является цепочка Rб1С2 .

136

Ждущие мультивибраторы. Для перевода рассмотренной схемы автоколебательного мультивибратора в режим ждущего мультивибратора необходимо, чтобы одно из его квазиустойчивых состояний равновесия стало устойчивым. Этого можно добиться, если одну связь между схемами коммутации по переменному току заменить связью по постоянному току. Схе-

может сохраняться сколь угодно долго, так как при этом токи и напряжения всех элементов неизменны во времени.

Запуск ждущего мультивибратора осуществляется подачей на эмиттерный переход транзистора T2 импульса положительной полярности (рис. 12.7). Параметры этого импульса выбираются таким образом, чтобы добиться кратковременного приоткрывания транзистора T2 . Возникающее при этом уменьшение напряжения (uкэ2 = Uвых2 ) приводит к появлению на базе транзистора T1 отрицательного смещения

(uбэ1 = Uвых2 − uC2 ),

а следовательно, к его запиранию. Транзистор T2 переходит в режим насыщения. Новое состояние схемы будет квазиустойчивым, так как оно поддерживается лишь до тех пор, пока на базе транзистора T1 присутствует запирающее напряжение, то есть пока не зарядится конденсатор C2

( E0 → Rб1 → C2 → T2 ).

137

временем восстановления. Это время определяется процессом заряда конденсатора C2 до напряжения питания.

Если следующий запускающий импульс появится на входе схемы раньше, чем закончится время восстановления, на выходе мультивибратора будет сформирован импульс длительностью, меньшей чем Tи .

Конденсатор C2 играет роль времязадающего конденсатора, определяющего длительность выходного импульса всего устройства. Конденсатор C1 определяет процессы переключения транзисторов (ускоряет), в общем случае он может отсутствовать в схеме.

Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ. Схема данно-

го устройства представлена на рис. 12.8. Резисторы R1 и R2 в данной схеме образуют положительную обратную связь, что считается необходимым условием для возникновения в схеме электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может принимать значение + Eпит или − Eпит , где Eпит – напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжение Uн1, или Uн2

138

До момента времени t1

Uн −Uи = Uн1 −Uc > 0,

следовательно, ОУ находится в режиме насыщения и на его выходе удерживается напряжение + Eпит (рис. 12.9). Начиная с момента времени t1, эта разность меняет знак, что приводит к изменению напряжения на выходе ОУ на − Eпит . После момента времени t1 емкость начинает перезаряжаться,

139

Относительно напряжения на конденсаторе С схема является генератором пилообразного напряжения.

Контрольные вопросы

1.Назовите режимы работы генераторов электрических колебаний.

2.Поясните принцип получения пилообразного напряжения.

3.Объясните принцип работы схемы ГЛИН (см. рис. 12.3). Каково назначение диода D в данной схеме?

4.Какое устройство называется мультивибратором?

5.Какие существуют режимы работы мультивибраторов?

6.Поясните, при каких условиях состояние равновесия называют устойчивым, а при каких квазиустойчивым?

7.Каковы назначение и роль конденсаторов C1 и C2 в схемах авто-

колебательного и ждущего мультивибраторов?

8.Как происходит запуск ждущего мультивибратора?

9.Каково необходимое условие построения мультивибраторов на операционных усилителях?

10.Каков принцип работы автоколебательного мультивибратора на ОУ (см. рис. 12.9)?

Глава 13. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логический элемент, или логический вентиль – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы, которая, в свою очередь, часто содержит несколько логических вентилей. Значениям логических функций и аргументов в электрических схемах могут быть поставлены в соответствие различные характеристики токов и напряжений. Различают потенциальный и импульсный способы представления логических переменных.

Впотенциальном способе представления значениям логических нуля

иединицы ставят в соответствие два различных уровня напряжения или

140