книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

тока / г включения (рис. 11.3, б), то светодиод не погаснет и после окончания заряда кои. Денсатора до напряжения U Cfnax = Е — Ur — £/°, где U° — напряжение на выходе

Открытого инвертора.

Если сопротивление R велико и ток iD = (Е — Ur)/R < / г, то в конце процесса Наряда конденсатора ток светодиода станет меньше / г и светодиод начнет гаснуть. Сопро­

тивление фотодиода возрастет, напряжение и увеличится. Вследствие положительной об­ ратной связи это вызовет увеличение потенциала катода светодиода, что приведет к ла­ винообразному уменьшению тока светодиода и переключению инвертора. Конденсатор С После этого начнет разряжаться через резистор R и выход инвертора. При этом он Водностью перезарядится до напряжения Ucmin = —(U1 — Ur)t а светодиод останется

погасшим.

Таким образом, при любом сопротивлении R генератор (рис. 11.3, а) после включе­ ния источника питания окажется в одном из двух устойчивых состояний: и = U0 или

и== U1.

Впервом устойчивом состоянии генератора светодиод возбужден (и = U0) и кон­

денсатор заряжен до Uстах = Е — Ur — U°. При воздействии импульсом запуска отри­

цательной полярности на дополнительный вход инвертора последний переходит в еди­ ничное логическое состояние (рис. 11.3, в), светодиод гаснет, конденсатор начинает пере­ заряжаться под действием напряжения и = U1. Когда, по мере перезаряда, напряжение на катоде светодиода уменьшится до величины Е — UT, ток светодиода начнет возрастать.

При iD ^ / г (рис. 11.3, б) инвертор переключится в нулевое логическое состояние. Про­

цесс перезаряда конденсатора и генерирование импульса с длительностью /и (рис. 11.3, в) закончится. Начнется сравнительно кратковременная стадия восстановления генератора, характеризуемая зарядом конденсатора через светодиод и выход инвертора.

При втором заторможенном режиме в исходном состоянии генератора светодиод пога­ шен, конденсатор заряжен до UCmln = — (£Д — UT), инвертор находится в единичном

логическом состоянии (рис. 11.3, г). При подаче импульса запуска положительной поляр, ности инвертор переходит в нулевое состояние, конденсатор начинает перезаряжаться| стремясь к ис (оо) =* Е — Ur — U°. Ток светодиода, являющийся током перезарядаf

уменьшается. Когда он достигает величины / г , светодиод гаснет, а генератор из-за дей­

ствия положительной обратной связи опрокидывается, возвращаясь в исходное состояние. Длительность импульса в первом заторможенном режиме (рис. 11.3, в) определяется временем перезаряда конденсатора через резистор R и выход инвертора от напряжения

где Г о __сопротивление возбужденного светодиода; RBba — выходное сопротивление ин-

вертора в нулевом состоянии.

Длительность иМпУльса во втором заторможенном режиме (рис. 11.3, г) определяет­ ся процессом перезаряд3 конденсатора через светодиод, при котором ток светодиода

261

Время восстановления определяется зарядом конденсатора через резистор R и вы­ ход инвертора в единичном состоянии:

Из сравнения постоянных времен перезаряда в формулах (11.1) и (11.3) видно, что первый заторможенный режим работы необходимо использовать при получении импуль­ сов с большей, а второй — с меньшей длительностями.

Для перевода рассмотренного генератора (рис. 11.3, а) в режим автоколебаний с мягким самовозбуждением к оптронному переключателю необходимо добавить инвер­ тор (рис. 1 1 .4 , а), а резистор R включить между светодиодом и выходом дополнительного

-о>£

конденсатора ток открывшегося светодиода становится больше граничного тока / г вклю­

чения. Состояния инверторов снова изменяются на противоположные.

Для определения периода автоколебаний Т = t3 -f- /р необходимо найти времена заряда t3 и разряда /р конденсатора. Во время заряда, согласно эквивалентной схеме (рис. 11.4, в) и временным диаграммам (рис. 11.4, б), ток светодиода уменьшается от максимального значения iD (0) = / тах = [Я + | Uc (0 ) | — £/г — ll\)l(rD + ,) до

iD (/3) = / г . При этом он стремится к iD (оо) = (Е — Ur — Ul2)/R. Поэтому в соответ­ ствии с формулой (3.2) с учетом величины Uc (0) = —(1/{ — Е -j- Ur)

При разряде согласно эквивалентной схеме (рис. 11.4, г) конденсатор перезаряжа­

262

Поскольку в автогенераторе (рис. 11.4, а) два инвертора, положительную обратную связь можно получить и в том случае, когда оптопара (светодиод — фотодиод) оптронно-

уменьшаясь, достигнет величины / г , светодиод начнет гаснуть, а инверторы изменят свое

состояние на противоположное (и1 = U\y и2 = U!J). Конденсатор начнет перезаряжаться

через выход и2, выход их и резистор R. Если выполнить неравенство (U\ — Ur)/R > / г ,

то в конце перезаряда конденсатора светодиод откроется, его ток превысит величину / г и инверторы снова изменят состояния на противоположные. Эквивалентные схемы за­

ряда и разряда (рис. 1 1 .5 , б и в) рассматриваемого второго автогенератора полностью совпадают со схемами заряда и разряда (рис. 11.4, а и г) первого автогенератора. Поэто­

Скважность импульсов второго автогенератора, как показывает сравнение формул (11.5) — (11.8), меньше скважности импульсов первого автогенератора, поскольку

TD + ^вых > r D + R°Bbtx.

3. ГЕНЕРАТОРЫ НА ОПТРОННЫ Х ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

СПЕРЕЗАРЯЖАЮЩИМСЯ КОНДЕНСАТОРОМ

Вгенераторах этого типа для обеспечения Перезаряда конденсатор включают между выходами переключателей (рис. 1 1 .6 , а), а последовательно с ним— перезарядные резис­ торы R t зашунтированные светодиодами.

Принцип работы генератора в режиме автоколебаний заключается в следующем. Пусть переключатель DD1 (рис. 11.6, а) находится в единичном (рис. 11.6, б), a DD2 —

внулевом состоянии. Тогда конденсатор С будет заряжаться через выход щ, верхний резистор R , светодиод переключателя DD2 и выход и2. Светодиод переключателя DD1 при этом погашен и обеспечивает его единичное состояние, светодиод переключателя DD2 возбужден, обеспечивая его нулевое состояние. По мере заряда конденсатора ток свето­ диода переключателя DD2 уменьшается. Когда он достигнет значения / г , при котором

начнет гаснуть светодиод, переключатель DD2 начнет переходить в единичное состоя-

263

ние. Конденсатор С прекратит заряжаться, а затем начнет перезаряжаться через свето­ диод переключателя DDJ, переводя его в возбужденное состояние, a DD2 — в нулевое состояние. Процесс перезаряда конденсатора продолжается до тех пор, пока при умень­ шении ток перезаряда не достигнет значения / г , при котором начнет гаснуть светодиод

переключателя DDL Напряжение щ на выходе этого переключателя начнет увеличи­ ваться, а процесс перезаряда прекращается. Направление тока конденсатора снова из­ менится на обратное и т. д.

Длительность импульса tH(рис. 1 1 .6 , б) определяется временем, в течение которого ток одного из светодиодов превышает величину / г . Закон изменения тока, например

находящегося в единичном состоянии, и DD2t находящего­ ся в нулевом состоянии; { / Г2 — напряжение на возбуж­

денном светодиоде; Uс (0 ) — напряжение на конденсаторе в момент начала очередного перезаряда; /?вых — выход­

Длительность импульса /н согласно выражению (11.9) с учетом входящих в него ве­

264

При расчете такого генератора сначала необходимо в соответствии с неравенством (11.11) рассчитать сопротивление резистора R , а затем по формуле (1 1 . 10) определить при задан­

равна 2 .

Для обеспечения работоспособности автогенератора при больших сопротивлениях перезарядных резисторов необходимо использовать ВЗУ с транзисторами (рис. 11.6, в). В этом варианте генератора светодиоды включены в коллекторные цепи транзисторов, а конденсатор перезаряжается через сравнительно большие сопротивления резисторов, включенных в базовые цепи транзисторов. Диоды VD1 и VD2 шунтируют поочередно одно из плеч ВЗУ (транзистор и резистор R).

Так, если к верхнему плечу ВЗУ подводится высокий, а к нижнему — низкий уровень напряжения, конденсатор заряжается через диод 1/D /, нижний резистор R и участок база — эмиттер VT2. Ток коллектора VT2 при этом обеспечивает возбужденное состояние светодиода и нулевое состояние переключателя DD2. Транзистор VTI закрыт, светодиод переключателя DDJ погашен, что обеспечивает единичное состояние последне­ го. По мере перезаряда конденсатора базовый и, следовательно, коллекторный ток тран­ зистора VT2 уменьшается. Когда он достигнет значения / г, светодиод переключателя

DD2 начнет гаснуть, а его выходное напряжение — увеличиваться. Процесс перезаряда закончится, а зарядившийся конденсатор начнет перезаряжаться в противоположном направлении. Это вызовет отпирание тразистора VT1, возбуждение светодиода переклю­ чателя DD1 и переход в нулевое состояние последнего. Конденсатор теперь будет пере­ заряжаться через диод VD2, верхний резистор R и участок база — эмиттер VTJ до на­ чала гашения светодиода переключателя DD7, вызываемого уменьшением базового тока транзистора VT1 до величины /г/р, где Р — коэффициент усиления тока базы. Процессы

периодически будут повторяться.

Максимальное напряжение, до которого конденсатор перезаряжается в момент окон­ чания очередной стадии перезаряда при симметрии схемы, Uc (0) = U1 — UD —

—RIrfp — Ufa — £/°. Процесс опрокидывания генератора, когда оба переключателя на­

(11.12) получим сопротивление < 30 кОм.

Для определения длительности импульса (одной стадии перезаряда) необходимо най­ ти напряжение Uc (оо) = U1 — UD — Ufa — 0° Ul — 2UD — 0°, до которого стре­

мится зарядиться конденсатор. Тогда длительность импульса

Скважность импульсов этого генератора может заметно отличаться от двух, если вы­ брать разными сопротивления резисторов R .

Из анализа выражения (11.13) видно, что существует оптимальное сопротивление R, при котором получается максимальная длительность импульса. Действительно, при уве­ личении R увеличивается постоянная RC, но уменьшается дробь под знаком логарифма.

Для определения оптимального сопротивления Ropt необходимо найти экстремум Функции tH(R). Для этого выражение (11.13) приведем к виду

/а = RC In [(Л - R)/R], Л = 2 р ( (/1 - 2UD - tf°)//F.

265

значение сопротивления /?opt соответствует условию (1 1 .12 ). При расчете этого генера­

тора сначала необходимо определить оптимальное сопротивление /?, а затем в соответ­ ствии с выражением (11.13) по заданной длительности /и найти емкость С.

Для перевода рассмотренного автогенератора (рис. 11.6, в) в заторможенный режим работы необходимо исключить один из транзисторов, например VT2 , а оптронный пере­

диод переключателя DD2 возбужден и поэтому Щ = £/°. Конденсатор быстро заряжается через диод VD1 и резистор R' с малым сопротивлением до напряжения ис (0) = V x —

— U-Dt — ^ 2- При подаче запускающего импульса положительной полярности светодиод

переключателя DD2 гаснет, вызывая увеличение напряжения и2. Конденсатор начинает разряжаться через резистор Я, участок база — эмиттер транзистора VT, выход %, выход и2и диод VD2. Светодиод переключателя DD1 возбуждается, вызывая уменьшение напряжения щ. Происходит быстрый процесс опрокидывания генератора и последующий

перезаряд конденсатора, стремящегося зарядиться до напряжения ис (оо) = —(и \ —

- u D2 - v 63i - v $ -

Формирование импульса и2прямоугольной формы положительной полярности с дли­

Из выражения (11.14) видно, что при увеличении сопротивления R увеличивается постоянная времени RC, но уменьшается величина дроби под знаком логарифма. По­ этому существует оптимальное значение сопротивления резистора i?opt, при котором

длительность импульса максимальна. Для определения этого сопротивления необходи­ мо найти экстремум функции (11.14)

сопротивление Ropi ^ 43 кОм.

При таком сравнительно большом сопротивлении R рассмотренный генератор целе­ сообразно использовать для получения импульсов большой длительности.

При расчете заторможенного генератора по заданной длительности сначала необхо­ димо определить Ropt, а затем рассчитать в соответствии с выражением (11.14) емкость С.

того чтобы светодиод переключателя DD2 в исходном состоянии был возбужден, необхо­ димо выполнить условие ((А — Urf/Ri > / г , откуда Ri < ((Л — и Г)/1Г.

266

4.ГЕНЕРАТОРЫ НА ОПТРОННЫ Х ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

СПЕРЕЗАРЯЖАЮЩИМСЯ КОНДЕНСАТОРОМ

И ОПОРНЫМИ ДИОДАМИ ИЛИ ТРАНЗИСТОРАМИ

Для исключения влияния на длительность импульсов недостаточно стабильных пара­ метров Р, U1, U°, UD и / г (см. формулы (11.13) и (11.14)), целесообразно использовать

генератор, в котором окончание каждой из стадий перезаряда конденсатора определя­ ется не моментом, при котором ток светодиода уменьшается до / г, а опорным напряже-

1У°). В этот момент времени откроется диод VD4Xзакроется транзистор VTlx погаснет

2G7

Для того чтобы при уменьшении зарядного (базового) и, следовательно, коллектор­ ного тока (тока светодиода) опорный диод открылся раньше, чем ток светодиода умень­ шится до значения / г , необходимо выполнить неравенство

Для перевода рассмотренного автогенератора в заторможенный режим необходимо исключить один из опорных диодов и соответствующий транзистор. Если, например, исключить диод VD3 (рис. Ц.7, а), транзистор VT2 и диод VD5, а светодиод переключа­ теля DD2 использовать для запуска генератора (рис. 11.7, б), то в исходном состоянии ток конденсатора равен нулю, транзистор VT1 закрыт, светодиод переключателя DD1

«а прямоугольной формы положительной полярности с длительностью tH заканчивается при ис (/„) = —(у£ + иоз — ^бэ! — UDI — ^?)‘ Опорный диод VD3 при этом отпира­ ется, перезаряд конденсатора прекращается, транзистор VT1 запирается, переводя пе­ реключатель DD1 в закрытое состояние (их = U\). Диод VD1 запирается, а конденсатор восстанавливает исходное состояние.

268

в соответствии с неравенством (11.17). Условие восстановления для этого заторможенно­ го генератора имеет вид ЪС (R' + / ^ ых) < Т — /и.

В качестве опорных диодов можно использовать эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 (рис. 11.7, в). Светодиоды оптронных переключателей DD1 и DD2 включены в коллекторные цепи этих транзисторов, что обеспечивает работоспособность генератора при сравнительно больших сопротивлениях зарядно-разрядных резисторов R. Резисто­ ры R1 в цепях обратной связи триггера, образованного элементами НЕ переключателей, имеют сопротивление в несколько десятков килоом и служат для того, чтобы вход закры­ того переключателя не шунтировался выходом открытого переключателя. Существенным достоинством этого генератора является то, что транзисторы и светодиоды находятся поч­ ти все время в закрытом состоянии. Они поочередно отпираются только на время опроки­ дывания генератора.

Принцип работы автогенератора сводится к следующему. Если переключатель DD1

поскольку потенциал его базы заметно меньше опорного напряжения уЕ. По мере заряда

DD2. Триггер снова опрокинется и процесс перезаряда повторится. Если учесть, что при

269

Период колебаний T = 2t„. При необходимости получить импульсы со скважностью, отличной от двух, используются резисторы R с разными сопротивлениями.

Для исключения зависимости длительности tHот напряжения UD и напряжения ис­

точника питания Е необходимо оптимизировать опорное напряжение уЕ. Для того что­ бы найти уор(, выражение (11.19) необходимо привести к виду

Чтобы длительность импульса не зависела от UD и Е, необходимо найти yopt, ПРИкотором второй компонент выражения (1 1 .2 0 ) равен нулю. Поэтому £ (1 — Yopt)— 3D(1 —

1 — Yopt

Сопротивление резистора R должно быть таким, чтобы при отпирании транзистора его базовый ток был больше тока / Г/Р, где Р — коэффициент усиления тока базы. Если

это условие не выполняется, при отпирании транзистора включенный в цепь его коллек­ тора светодиод не возбудится и триггер не опрокинется.

Базовый ток отпирающегося транзистора /б = {Е — уЕ — Ue9)/Rt и поэтому усло­ вием нормальной работы генератора при у = yopt является неравенство

Заторможенный генератор с опорным транзистором (рис. 11.7, г) отличается от ав­ тогенератора (рис. 11.7, в) тем, что в нем только один опорный транзистор, а сопротивле­ ние резистора Rf выбирается сравнительно малым, чтобы обеспечить быстрое восстанов­ ление генератора. Принцип работы заторможенного генератора заключается в следую­

коротким запускающим импульсом триггер опрокинется, перейдя в состояние, при ко­ тором и2= й°у ut = (J1. Диод VD1 закроется и конденсатор начнет разряжаться через диод VD2, выход и2, источник питания Е и резистор R. Разряжаясь конденсатор стре­

мится перезарядиться до напряжения ис (оо) = —(Е ~—UD2 — бф . Процесс перезаряда конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения ис (^и) = “ (у£ + ^бэ — UD2 Щ)* где *и — длительность импульса. Если учесть,

270