Всем доброго времени суток. В предыдущей статье я описывал простейший генератор пилообразного напряжения и приводил его расчет. Данная статья продолжает первую часть, сегодня вы узнаете, как улучшить параметры генераторов и какие для этого применяются схемы.

Как известно из предыдущей статьи основными параметрами для оценки качества генератора пилообразного напряжения являются коэффициент нелинейности и коэффициент использования напряжения питания. Первый коэффициент характеризует нестабильность тока, который заряжает конденсатор, поэтому для обеспечения коэффициента нелинейности ξ < 10 % необходимо использовать нелинейные токостабилизирующие элементы или стабилизаторы тока. Второй коэффициент показывает во сколько раз амплитуда импульса на выходе генератора меньше, чем напряжение питания генератора пилообразного напряжения. Как известно из статьи про интегрирующие цепи наиболее линейный заряд конденсатора происходит в начальный период времени (примерно первые 10 % от времени заряда). Поэтому для лучшей линейности в простейших генераторах пилообразного напряжения с зарядным (или разрядным) резистором приходится использовать напряжение питания в несколько десятков раз выше, чем амплитуда выходного импульса.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Простой стабилизатор тока

Стабилизатор тока (источник тока, генератор тока) называется устройство, которое автоматически поддерживает заданный ток в нагрузке под действием дестабилизирующих факторов. В качестве основного элемента в генераторе тока в большинстве случаев используется биполярный транзистор. В простейшем случае схема представляет собой однокаскадный усилитель, который показан ниже

Простейшая схема стабилизатора тока.

Работает схема следующим образом. Делитель напряжения R1R2 создаёт на базе транзистора VT1 напряжение U_B, которое может быть представлено, как сумма напряжений U_BE (напряжение на переходе база-эмиттер) и U_E – напряжение на эмиттере VT1, тогда

[math]U_{E} = U_{B} — U_{BE}[/math]

При этом напряжение на базе выбирается в пределах U_B ≈ (0,3…0,5)* E_ПИТ

А ток эмиттера будет равен

[math]I_{E} = \frac{U_{E}}{R3} = \frac{U_{B} — U_{BE}}{R3}[/math]

Так как ток коллектора транзистора практически такой же, как и ток эмиттера, то, если ток эмиттера поддерживать постоянным, то ток коллектора также будет постоянным, несмотря на изменение напряжения на коллекторе. Данная схема является основой для различных источников постоянного тока. При расчёте данной схемы необходимо, чтобы ток делителя R1R2 был в 5…10 раз больше, чем базовый ток транзистора, то есть

[math]I_{R1R2} \ge (5…10)*I_{B} = \frac{(5..10)*I_{E}}{1 + h_{21e}}[/math]

Данная схема достаточно эффективна во многих случаях, но иногда возникают проблемы в связи с нестабильностью источника питания и по этой причине возможно изменение напряжения на базе транзистора U_B, как следствие и тока эмиттера I_E.

Расчёт простого стабилизатора тока

Необходимо рассчитать источник тока, обеспечивающий I_С = 10 мА, напряжение источника питания Е_ПИТ = 10 В.

1. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).
2. Рассчитаем сопротивление эмиттера R3
   [math]R3 = \frac{U_{E}}{I_{E}} = \frac{U_{B} — U_{BE}}{I_{E}}[/math]

   где U_BE = 0,6 – 0,8 B,

   [math]U_{B}=(0,3…0,5)*E_{PIT} = (0,3…0,5)*10 = 3…5 B[/math]

   Примем U_B = 3 В, тогда

   [math]R3 = \frac{3 — 0,7}{0,01} = 230 Om[/math]

3. Расчитаем сопротивление резисторов R1 и R2.
   [math]I_{R1R2} \ge (5…10)*I_{B} = \frac{(5..10)*I_{E}}{1 + h_{21e}} = \frac{(5..10)*0,01}{1 + 50} \approx 0,98…1,96 mA[/math]

   Примем I_R1R2 = 1 мА

   [math]R1 + R2 = \frac{E_{PIT}}{I_{R1R2}} = \frac{10}{0,001} = 10 kOm[/math]
   [math]\frac{R2}{R1 + R2} = \frac{U_{B}}{E_{PIT}} = \frac{3}{10} = 0,3[/math]
   [math]R2 = 10 * 0,3 = 3 kOm[/math]
   [math]R1 = 10 — 3 = 7 kOm[/math]

   Примем R1 = 6,8 кОм, R2 = 3,3 кОм

Стабилизатор тока с диодным смещением

Как указывалось выше простой стабилизатор тока вследствие нестабильности напряжения питания, может иметь невысокую стабильность тока коллектора, кроме того через делитель напряжения R1R2 протекает достаточно большой ток, что приводит к потере мощности. Поэтому для уменьшения влияния этих факторов применяется диодная стабилизация (или диодное смещение) напряжения на базе. Схема, иллюстрирующая диодное смещение приведена ниже

Стабилизатор тока с диодным смещением.

Работает данная схема, как и предыдущая, но с учётом того, что напряжение на базе транзистора VT1 создается стабилитроном. Расчёт данной схемы выполняется также как и предыдущей, только с учётом параметров стабилитрона, то есть напряжения стабилизации U_НОМ и ток стабилизации I_CT. При выборе стабилитрона источника тока необходимо руководствоваться следующими ограничениями

• максимальное напряжение стабилизации стабилитрона
  [math]U_{ST} \le \/E_{PIT} — I * R_{HMAX}[/math]
  где E_PIT – напряжение питания источника тока,
  I – расчётный ток источника тока
  R_Нmax – максимальное сопротивление коллекторной нагрузки.
• минимальное напряжение стабилизации не должно быть меньше, чем напряжение насыщение база-эмиттер
  [math]U_{ST} \ge \/U_{BE}[/math]

В данной схеме по возможности необходимо использовать стабилитроны с небольшим значением напряжения стабилизации, потому что при напряжении стабилизации стабилитрона(U_СТ.НОМ) близком к U_st уменьшается значение сопротивления резистора R1, что в свою очередь приводит к увеличению потребляемой мощности этим резистором.

Расчёт стабилизатора тока с диодным смещением

Необходимо рассчитать источник тока, обеспечивающий I_С = 10 мА на нагрузке Rн = 150 Ом, напряжение источника питания Е_ПИТ = 10 В.

1. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).
2. Выберем стабилитрон
   [math]U_{ST} \le \/E_{PIT} — I * R_{HMAX} = 10 — 0,01 * 150 = 10 — 1,5 = 8,5 B[/math]
   [math]U_{ST} \ge \/U_{BE}[/math]

   Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами U_ст.ном. = 3,9 В, I_ст.ном. = 5 мА.

3. Рассчитаем сопротивление резистора R1
   [math]R1 = \frac{E_{PIT} — U_{CT.HOM}}{I_{CT.HOM}}[/math]

   Примем R1 = 1,2 кОм

4. Рассчитаем сопротивление резистора R2
   [math]R2 = \frac{U_{E}}{I_{E}} = \frac{U_{ST} — U_{BE}}{I_{E}} = \frac{3,9 — 0,7}{0,01} = 320 Om[/math]

   Выберем R2 = 330 Ом

Токовое зеркало (отражатель тока)

Как указывалось выше, уменьшение напряжения стабилизации стабилитрона приводит к уменьшению потребляемого тока. Как известно минимальное напряжение на базе транзистора для его работы в качестве усилителя составляет U_BE = 0,7 В – падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер. Чтобы обеспечить такое напряжение достаточно между базой и эмиттером транзистора включить обычный диод, но лучше всего использовать транзистор с закороченным коллекторным переходом, причём необходимо стараться подобрать пару транзисторов с очень близкими параметрами (h_21e, I_CBO и т.д.). Такая схема, показанная ниже, называется токовым зеркалом или отражателем тока

Схема токового зеркала (отражатель тока)

Рассмотрим работу схемы, основными элементами которой являются резистор R1 и транзисторы VT1 и VT2. Коллектор и база транзистора VT1 соединены, и поэтому данный транзистор выполняет роль диода. Коллекторный ток VT1 ограничен резистором R1, а как известно напряжение U_BE и ток эмиттера I_E транзистора связывает логарифмическая зависимость

[math]U_{BE} = U_{T} *ln (\frac{I_{E}}{I_{EO}})[/math]
[math]I_{E} \approx \/I_{C}[/math]

где U_T – напряжение на p-n переходе зависящее от температуры,
I_EO – обратный ток насыщения эмиттера.

Таким образом, если транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры, то падение напряжение U_BE транзистора VT1 вызовет такое же падение напряжения U_BE транзистора VT2, а следовательно и коллекторный ток транзистора VT2 будет примерно равным коллекторному току транзистора VT1. Таким образом, коллекторный ток VT2 с большой степенью точности задаётся («программируется») коллекторным током VT1.

[math]I_{CVT2} \approx \/I_{CVT1} = \frac{E_{PIT} — U_{BE}}{R1}[/math]

Генератор пилообразного напряжения со стабилизатором тока

От схем стабилизаторов тока пора перейти к применению стабилизаторов в генераторах пилообразного напряжения. Тут всё достаточно просто, необходимо вместо зарядного (разрядного) резистора вставить в схему стабилизатор тока. Для примера возьмём стабилизатор тока с диодным смещением и добавим его в схему простого генератора пилообразного напряжения. Получившаяся схема изображена ниже

Схема генератора пилообразного (линейно растущего) напряжения со стабилизатором тока.

Данная схема состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT1, стабилитроне VD1 и резисторах R1, R2, а также разрядного транзистора VT2 и конденсатора C1.
Схемы генераторов пилообразного напряжения позволяют получить коэффициент нелинейности ξ ≤ 10 %, а коэффициент использования напряжения ε ≈ 0,9. Как же работает такая схема? Как известно VT1. То есть дифференциальное сопротивление коллектора будет очень высоким

[math]r_{K} = \frac{\DELTA \/U_{BC}}{\DELTA \/I_{C}}[/math]

в случае стабилизатора тока r_K ≈ 0,5…1 МОм.

После подачи питания Епит в схему, конденсатор C1 начинает заряжаться постоянным током I_С ≈ I_E = const, которой обеспечивается стабильным напряжением U_ST за счёт стабилитрона VD1

[math]I_{C} \approx \/I_{E} = \frac {U_{ST} — U_{BE}}{R2}[/math]

Таким образом, конденсатор зарядится до напряжения

[math]U_{0} = U_{BbIX} = E_{PIT} — R2 * I_{C}[/math]

которое будет являться выходным напряжением данной схемы генератора. После того как на вход схемы (базовый вывод VT2) приходит положительный импульс (U_BX > U_BbIX) транзистор VT2 насыщается и конденсатор C1 разряжается

Амплитуду выходного напряжения можно определить по следующей формуле

[math]U_{m} = \frac {I_{C} T_{P}}{C1} = \frac{h_{21b} E_{R2} T_{P}}{R2 C1} \approx \frac {E_{R2} T_{P}}{R2 C1}[/math]

Коэффициент нелинейности будет равен

[math]\xi = \frac{T_{p}}{r_{K} C1}[/math]

Таким образом, исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что данный генератор при работе на высокоомную нагрузку обеспечивает небольшой коэффициент нелинейности и большой коэффициент использования напряжения, который растёт с уменьшением напряжения стабилизации стабилитрона, а также обеспечивает большой диапазон длительности рабочего хода и небольшое время обратного хода.

Одним из недостатков данного типа генератора является то, что необходимо иметь запускающий импульс со значительным уровнем напряжения (U_BX > U_BbIX), а также транзисторы с разными типами проводимости.

В отличии от генератора линейно растущего напряжения, генератор линейно падающего напряжения можно собрать на транзисторах одного типа проводимости, что иногда имеет некоторое преимущество.

Генератор пилообразного (линейно падающего) напряжения со стабилизатором тока.

Расчёт номиналов элементов данной схемы ведётся идентично генератору линейно растущего напряжения.

Расчёт генератора пилообразного напряжения с токовым стабилизирующим элементом

Рассчитать параметры элементов схемы генератора пилообразного напряжения со стабилизатором тока, который обеспечивает следующие характеристики выходного сигнала: длительность рабочего хода Т_Р = 500 мкс, амплитуда выходного напряжения U_m = 5 В, напряжение питания схемы E_K = 10 В коэффициент нелинейности ξ = 1 %.

1. Определим ёмкость конденсатора С
   [math]C = \frac{T_{P}}{r_{K} \xi}[/math]

   где r_K – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, r_K = ΔU_CB/ΔI_C. Для простейших расчётов можно полагать, что r_K = 0,5 … 1 Мом

   [math]C = \frac{0,0005}{(500000…1000000) * 0,01}=0,1…0,05 \mu F[/math]

   Выберем С1 = 51 нФ.

2. Найдём величину тока необходимого для обеспечения заданной амплитуды выходного импульса
   [math]I_{ST} = \frac {U_{m}*C1}{T_{P}} = \frac {5 * 51 * 10^{-9}}{0,0005} = 0,51 mA[/math]
3. Выберем и рассчитаем стабилизатор тока:
   • Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).
   • Выберем стабилитрон
     [math]U_{ST} = E_{K} — U_{m} = 10 — 5 = 5 B[/math]
     [math]U_{ST} \ge \/U_{BE} = 0,7 B[/math]

     Выберем стабилитрон типа КС147 со следующими параметрами U_ст.ном. = 4,7 В, I_ст.ном. = 5 мА.

   • Рассчитаем сопротивление резистора R1
     [math]R3 = \frac{E_{K} — U_{CT.HOM}}{I_{CT.HOM}} = \frac{10 — 4,7}{0,005} = 1060 Om[/math]

     Примем R1 = 1 кОм

   • Рассчитаем сопротивление резистора R2
     [math]R2 = \frac{U_{CT.HOM} — U_{BE}}{I_{E}} = \frac{4,7 — 0,7}{0,00051} \approx 7843 Om[/math]

     Выберем R2 = 8,2 кОм

     Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ