Практическая работа специальности 09.02.01.

Практическое занятие № 73. 

Тема: «Релаксационные генераторы»

Цель: Произвести расчет транзисторного мультивибратора на биполярных транзисторах»

Теория

В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов.   Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Релаксационные генераторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. В релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде теплоты в резисторах схемы.

Усилительный элемент работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку и обратно.

Релаксационные генераторы могут работать в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режиме синхронизации и деления частоты. Генератор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. В ждущем режиме генератор «ждет» поступления запускающего сигнала, с приходом которого выдает один импульс.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Действие мультивибратора основано на следующих положениях. Прямоугольные импульсы формируются на коллекторе транзистора: плоская, вершина- когда транзистор заперт и его коллектор имеет относительно высокий (по абсолютному значению) потенциал; пауза между импульсами- когда транзистор насыщен и потенциал на его коллекторе мал. Крутые фронты импульса обеспечиваются лавинообразным переходом транзистора из одного состояния в другое за счет положительной обратной связи в усилительных свойств транзисторов. Мультивибратор представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторах ключах – инверторах.

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого.

Физические процессы в мультивибраторе

Исходное состояние схемы транзистор Т₂ насыщен, конденсатор С₂ разряжается и напряжением на нем приближается к нулю. Напряжением U_С2 транзистор Т₁ заперт, так как левая по схеме обкладка С₂ непосредственно соединена с базой Т_1, а правая оказывается подсоединенной к к эмиттеру Т₁ через насыщенный транзистор Т_{2. Такому} состоянию соответствуют временные диаграммы до момента времени t₁, в соответствии с которыми

U_б2 ≈ 0, UК2 ≈ 0. Период следования формируемых импульсов можно разбить на ряд стадий.

Формирование фронта импульса. Когда напряжение U_С2 на разряжающемся конденсаторе С₂ станет равным нулю, транзистор Т1 отпирается.

При одновременно отпертых транзисторах замыкается цепь положительной обратной связи- в схеме создается условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора Т₁ приводит к уменьшению отрицательного потенциала на его коллекторе. Так как напряжение на конденсаторе С₁ не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером Т₂, что вызывает уменьшения тока в его цепи. Вследствие этого потенциал коллектора Т₂ становится более отрицательным- отрицательный скачок напряжения через конденсатор С₂ передается на базу транзистора Т₁, что приводит к еще большему отпиранию. Так как последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего, то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время. Исчисляемое долями микросекунды, транзистор Т₂ оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается. Запиранию транзистора Т₂ соответствует участок ab кривой U_К2.

Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С₂ не успевает измениться. Только после запирания транзистора Т₂ этот конденсатор начинает заряжаться током i_З по цепи: + Е_К – « земля» - эмиттер- база насыщенного транзистора Т₁- С₂ – R_{К2 –}  (-Е_К). За счет этого напряжение на коллекторе Т₂ U_К2 = - (Е_К – i_З*R_К2) постепенно приближается к установившемуся значению (участок bc кривой U_К2.  Когда конденсатор С₂ зарядится (i_З = 0), напряжение на коллекторе примет значение U_К2 ≈ - Е_К. На этом формирование фронт импульса заканчивается.

Формирование плоской вершины импульса. До момента времени t₁ конденсатор С₁, присоединенный к коллектору запертого прежде транзистора Т₁ был заряжен до напряжения U_С1= ≈ Е_К. После насыщения транзистора Т₁ напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным между базой и эмиттером Т₂ и удерживает его запертым. Поэтому напряжение U_К2 остается неизменным- на коллекторе Т₂ формируется плоская вершина импульса.

При насыщенном транзисторе Т₁ конденсатор С₁ получает возможность разряжаться по цепи: + Е_К – «земля» - Т₁ – С₁- Rб₂ – ( - Е_К ). Когда напряжение на нем окажется близким к нулю, транзистор Т₂ отпирается и в схеме вновь создаются условия для лавинообразного процессов. В момент t₂ формирование плоской вершины заканчивается.

Формирование среза импульса. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе Т₁  по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе Т₂ уменьшается. В результате транзистор Т₁ запирается, а транзистор Т₂ насыщается- на коллекторе Т₂ формируется срез импульса (участок de кривой U_К2 ).

Пауза. Через насыщенный транзистор Т₂ происходит разрядка конденсатора С₂ по цепи: +Е_К – «земля» - Т₂ – С₂- R_б1  - ( - Е_К). По напряжение U_С2  не приблизится к нулю транзистор Т₁ заперт, а транзистор Т₂ насыщен. После отпирания Т₁ начинается формирование очередного импульса на коллекторе Т₂. Интервал t₂  - t_3.

В интервале t₂  - t₃ наряду с разрядкой конденсатора С₂  происходит зарядка конденсатора С₁  по цепи: + Е_К – «змля»- эмиттер- база Т₂ – С₁ – ( - Е_К ). Аналогично ранее заряжался конденсатор С₂, когда транзистор Т₁ был насыщен, а транзистор Т₂ заперт.

Основные параметры колебаний

1.            Амплитуда генерируемых импульсов:

Um = Uкн – Uк зап ≈ Е_К;

2.            Постоянная времени разрядки конденсатора С₁ :

τ ₂≈ С₁Rб_2;  (с)

3.            Постоянная времени разрядки конденсатора С₂ :

τ ₁≈ С₂Rб_1;

4.            Длительность генерируемых импульсов:

t_И2 =  С₁Rб₂ ln 2≈ 0,7  С₁Rб₂ = 0,7τ_2;   (с)

t_И1 =  С₂Rб₁ ln 2≈ 0,7  С₂Rб₁ = 0,7τ₁ (с)

5.            Период колебаний_:

Т= t_И1 + t_И2  =  0,7 ( С₁Rб₂  + С₂Rб₁ ) = 0,7(τ₂  + τ₁) ( с)

Теория для расчета транзисторного автоколебательного мультивибраторы

Выбор транзистора производится из ряда соображений.

1.                 При запирании транзистора на его базу передается положительный перепад напряжения Um = Ек. Потенциал коллектора при этом стремится к  -Ек. Поэтому максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора должно быть

U_{кб допю} > 2 E_k                                                      (1.1)

2.                 Максимальная частота колебаний мультивибратора f_max зависит от частоты транзистора

  У выбранного транзистора должно быть

 > 0,7 f_max                                (1.2)

3.                 Чтобы обеспечить заданную длительность положительного перепада – длительность среза t_с частота транзистора f, должна соответствовать условию

f > 1/t_c                                            (1.3)

4.                 Напряжение источника питания берут равным

Е_к = (1,11,2)U_m                              (1.4)

c тем чтобы изменение потенциала коллектора не было меньше заданной амплитуды импульса U_m

5.                 Сопротивление резистора  Rк, выбирают с таким расчетом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого

I_кн ≈ Е_к / R_k < I_кдоп

         откуда

R_k > R_k / I_кдоп                                                  (1.5)

С другой стороны, падение напряжения на резисторе R_k  от обратного тока коллектора не должно превышать (0,050,1)Е_к, т. е.

I_{ко max} *  R_k < (0,050,1)Е_к

Откуда

R_k < |(0,050,1)Е_к |/ I_{ко max}             (1.6)

         где I_{ко max}  - обратный ток при максимальной рабочей температуре. При выполнении этого условия потенциал коллектора запертого транзистора мало отличается от E_k.  

6.                 Сопротивление резистора Rб следует выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора (S ≈ 2)

(Е_к / R_k)* = (Е_к / R_б) *S,                (1.7)

откуда

Rб = (*R_k) / S                                (1.8)

Емкость конденсатора С выбирается в соответствии с заданной длительностью импульсов

С₁ = t_U2 / 0,7 R_б2,                             (1.9)

                                           С₂ =  t_U2 / 0,7 R_б1                                          (1.10)

Конденсторы выбираются по ГОСту.

Пример расчета автоколебательного мультивибратора

Рассчитать транзисторный мультивибратор в автоколебательном режиме по следующим данным: амплитуда U_м = 10 В, длительность среза t_с0,02, частота повторения импульсов 10 кГц, максимальная температура

t =40°С, время восстановления схемы t_в0,2 t_u

1.                 Пользуясь выражением, определяем напряжение источника питания

Ек(1,1 1,2) U_м

В соответствии с данными возьмем

Ек = 1,2 * 10 = 12 В

2.                 Выбираем транзистор, параметры которого должны удовлетворять условиям

U_{кб мин}  2Ек;          f   0,7 f_max          и             f  1/t_c

В соответствии с заданием транзистор должен иметь

U_{кб мин}  2*12 = 24 В;       f  0,7*10 = 7 кГц

t_с0,02 t_u ,         t_u =Т/2f ;  f = 1/(2*10*10³) = 50мкс

t_с0,02*50*10^-6 = 1 мкс

f  1/(1*10^-6) = 1МГц

Выбираем по справочнику транзистор ГТ 115Б, для которого

U_{кб мax} =30 В, I_{к мax} = 30мА, f  1МГц,  = 2080, I_{ко мax} = 40мкА, (до температуры t =45°С).

У выбранного транзистора _ср = 50, f  = f_/  = 20кГц.

3.                 Используя выражение определяем сопротивление R_k;   R_k =  (Ом)

4.                 Выбираем по ГОСТу R_К;

5.                 Находим сопротивление R_б. Определяем его по среднему значению _ср=50 и коэффициенту насыщения S = 2;

R_б = _ср * R_k / S = (50*1*10³)/2 = 25 кОм

Выбираем по ГОСТу  R_б =24 кОм

При этом базовый ток отпертого транзистора

         I_б =Ек/ R_б = 12 /(24*10³) = 500 мкА, что превышает  I_{ко мax} больше, чем на порядок, благодаря чему схема термостабильна.

6.                 Определяем емкость конденсатора С₁ и С₂

С₁ = С₂ = t_u /0,7 R_б ,

С = 50*10^-6/(0,7*20*10³) = 3000 пФ

Выбираем по ГОСТу С₁ = С₂ = 3000 пФ

7.                 Определяем время восстановления схемы

t_в = 3СR_к = 3*3000*10^-12*1*10³ = 9 мкс,

что не превосходит допустимого t_в  0,2*50*10^-6 = 10 мкс.

Ход работы

1.                 Спроектировать принципиальную схему автоколебательного транзисторного мультивибратора

2. Рассчитать параметры автоколебательного мультивибратора.

Выбор варианта

Для всех вариантов температура 25⁰С

Контрольные вопросы

1. Как изменяется параметры импульсов симметричного автоколебательного мультивибратора, если:

а)                      Увеличить С₁;

б)                     Увеличить R_б1 ;

в)                     Уменьшить С₂;

г)                      Уменьшить R_б2 ;

2. Чему равна скважность импульсов симметричного автоколебательного мультивибратора?
3. Что и как следует изменить в схеме для получения большой скважности?