Размещено на http://www.allbest.ru/

18

Реферат

В данной курсовой работе производится расчет генератора прямоугольных импульсов, в качестве которого выбран блокинг-генератор по схеме с общим эмиттером. Объем курсовой работы составляет 19 листов (не считая приложения и титульный лист).

Иллюстраций - 6 шт., в т.ч. рисунки 1-3 - электрические принципиальные схемы различных типов блокинг-генераторов, приложение А - структурная схема устройства, приложение Б - электрическая принципиальная схема устройства, приложение В - временные диаграммы.

Для выполнения курсовой работы использовано 8 источников, приведенных в списке литературы.

Характеристика блокинг-генератора:

Питающее напряжение -12 В.

Амплитуда импульсов 16 В, полярность положительная, величина отрицательного выброса 3 В. Время импульса 5 мкс, период колебаний 500 мкс ±3%, время восстановления 84 мкс. Фронт и срез импульсов равны 270 нс. Блокинг-генератор рассчитан на сопротивление нагрузки 8 Ом.

Диапазон рабочих температур: -5°С - +55°С. Автором выбраны структурная и электрическая принципиальная схемы устройства, по заданным начальным параметрам выбраны напряжение питания, транзистор VT1, диод VD1 (см. приложение Б), номиналы остальных деталей были рассчитаны по приведенным в расчетной части формулам. Также автором выбран диапазон рабочих температур. В результате расчета получены следующие характеристики: величина выброса, время восстановления, фронт и срез импульса, нестабильность периода колебаний.

Ключевые слова о разработанном устройстве: импульсная техника, прямоугольный импульс, генератор, блокинг-генератор.

Содержание

• Введение
• 1. Выбор и обоснование структурной схемы
• 1.1 Общие сведения о генераторах прямоугольных импульсов
• 1.2 Обоснование выбора структурной схемы
• 2. Выбор и обоснование принципиальной схемы
• 2.1 Обзор схем блокинг-генераторов
• 2.2 Обоснование выбора принципиальной схемы
• 3. Расчетная часть
• 3.1 Общий расчет блокинг-генератора
• 3.1.1 Расчет длительности фронта и коэффициента трансформации
• 3.1.2 Расчет длительности плоской вершины импульса. Выбор величины емкости генератор импульс трансформация напряжение индуктивность
• 3.1.3 Восстановление коллекторного напряжения
• 3.1.4 Восстановление базового напряжения. Влияние температуры на работу схемы. Рекомендация по выбору индуктивности L
• 3.2 Расчет блокинг-генератора
• Заключение
• Список литературы

Введение

Электрические импульсы и напряжения широко используются для тех или иных целей в различных областях науки и техники. Наиболее широко электрические импульсы применяются в электронике при импульсном режиме работы электронных устройств различного назначения. Здесь находят применение как одиночные импульсы (радиоимпульсы и видеоимпульсы), так и главным образом последовательности импульсов (серии импульсов), образующих импульсные сигналы, несущие информацию или выполняющие функции управления работой электронных устройств.

Импульсные методы работы широко используются в телевидении, где сигналы изображения и синхронизации - импульсные; с помощью радиоимпульсов удалось решить такую важную задачу, как измерение расстояний, что обусловило развитие импульсной радиолокации и радионавигации (в системах обнаружения, в радиовысотомерах, в навигации кораблей и самолетов). Импульсное кодирование сообщение, основанное на различных принципах импульсной модуляции, позволяет осуществлять радиосвязь в телеметрии. Перспективно использование импульсных режимов в радиоуправлении на большом расстоянии, например искусственными спутниками Земли, космическими кораблями, луноходами.

Импульсные методы имеют существенное значение в информационно-измерительной технике, используемой, в частности, в космической электронной аппаратуре и при исследованиях в области физики быстрых частиц. Методы и средства информационной техники лежат в основе работы современных ЭВМ, разнообразных цифровых автоматов, применяемых не только как средство автоматизации вычислительного процесса, но и для решения различных логических задач при автоматической обработке информации. Для этого производятся соответствующие преобразования над импульсными сигналами, несущими информацию (обычно в сопровождении помех), и с помощью логических схем и устройств селекции импульсов выполняются логические операции над импульсами. Таким образом выделяют, анализируют, распознают и регистрируют полезную информацию, содержащуюся в обрабатываемых импульсах. Исключительно широко применяются методы импульсной техники в радиоизмерительных устройствах (частотомерах, осциллографах, анализаторах спектра, измерителях временных интервалов и др.)

1. Выбор и обоснование структурной схемы

1.1 Общие сведения о генераторах прямоугольных импульсов

Импульсными генераторами называют устройства, преобразующие энергию источников постоянного напряжения в энергию электрических импульсов. Одна из разновидностей импульсных генераторов - генераторы прямоугольных импульсов. Генераторы прямоугольных импульсов формируют сигналы, по форме близкие к прямоугольным. Такие генераторы являются релаксационными. Генераторы прямоугольных импульсов, как и другие типы генераторов электрических сигналов, являются системами с положительной обратной связью. В зависимости от способа создания положительной обратной связи различают двухкаскадные генераторы с RC-цепями обратной связи и генераторы с трансформаторной обратной связью. Примерами первых являются мультивибраторы, вторых - блокинг-генераторы. Отдельной разновидностью рассматриваемых генераторов являются генераторы, выполненные на приборах с отрицательным сопротивлением. В этих устройствах обратная связь является "внутренней", определяется особенностями ВАХ использованного прибора с отрицательным сопротивлением.

Для получения импульсов прямоугольной формы широко применяются релаксационные генераторы, получившие название мультивибраторов. В схемном отношении мультивибраторы представляют собой двухкаскадный усилитель на резисторах, замкнутых петлей обратной связи. В зависимости от конкретных требований к устройству и решаемых задач мультивибратор может работать в трех основных режимах: автоколебательном, синхронизации и деления частоты следования импульсов.

Блокинг-генератором называют релаксационный генератор импульсов, регенеративный процесс в котором осуществляется за счет использования импульсного трансформатора и включенного в схему однокаскадного усилителя, который с помощью этого трансформатора охвачен положительной обратной связью. Блокинг-генераторы применяют в качестве мощных источников коротких импульсов (длительностью от сотых долей до десятков микросекунд), имеющих большую скважность (Q>10) и высокую крутизну фронтов. Блокинг-генераторы могут работать в различных режимах: ждущем, автоколебательном, режимах синхронизации и деления частоты.

Исходя из условий задания, для генерации прямоугольных импульсов была выбрана схема блокинг-генератора.

1.2 Обоснование выбора структурной схемы

В условии задания даны следующие исходные данные: =16 В, =5 мкс, =500 мкс, =1 мкс, =500 нс, =8 Ом, =3%.

Анализируя значения приведенных выше величин, можно заметить, что скважность импульсов велика (Q=100), также достаточно велика выходная мощность, форму импульс должен иметь как можно ближе к прямоугольной, длительности его фронтов не очень велики.

Мультивибраторы с базовыми времязадающими цепями формируют импульсы почти прямоугольной формы сравнительно большой длительности (от десятков до сотен и тысяч микросекунд). Однако мультивибраторы с базовыми времязадающими цепями неспособны генерировать прямоугольные импульсы с большой скважностью (Q>10), поэтому для целей данной курсовой работы эта схема не подходит.

Мультивибраторы с эмиттерными времязадающими цепями предназначены для получения импульсов прямоугольной формы с большой скважностью и малой длительностью. Генерируемые ими импульсы могут большую крутизну фронтов. Скважность генерируемых в режиме автоколебаний импульсов может быть не меньше скважности импульсов блокинг-генераторов и составляет величину от нескольких единиц до нескольких сотен. Единственное, чем не удовлетворяет данный генератор - при работе на мощную нагрузку приходится усиливать выходной сигнал, т. е. схема усложняется.

Схемы на туннельных диодах просты и имеют большую рабочую частоту, или быстродействие. Но так как они работают при низких напряжениях и могут усиливать только сигналы малой (сотые и тысячные доли вольта) амплитуды и формировать импульсы с амплитудой, измеряемой десятыми долями вольта, то при необходимости получить импульсы с большой амплитудой используются комбинированные схемы, содержащие туннельные диоды и транзисторы. Таким образом, схема такого типа также получается усложненной.

С помощью блокинг-генератора можно получить почти прямоугольные импульсы. Скважность импульсов блокинг-генератора может изменяться в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен, а иногда и тысяч. Транзисторные блокинг-генераторы генерируют импульсы длительностью от нескольких десятых долей микросекунды до нескольких десятков и сотен микросекунд. Учитывая также то, что блокинг-генераторы способны работать на мощную нагрузку, а также то, что схема их достаточно проста, для решения данной курсовой работы выбираем схему блокинг-генератора.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы

2.1 Обзор схем блокинг-генераторов

В блокинг-генераторе на транзисторе с общим эмиттером осуществляется положительная обратная связь с коллектора на базу, а времязадающий конденсатор включен в цепь базы транзистора. Такой блокинг-генератор имеет сравнительно низкую стабильность частоты колебаний, обеспечивает получение импульсов с меньшей длительностью и с плоской вершиной. Для уменьшения времени восстановления коллекторного напряжения параллельно коллекторной обмотке импульсного трансформатора подключаются демпфирующий диод и резистор. В блокинг-генераторе с общей базой положительная обратная связь осуществляется между коллектором и эмиттером транзистора. Блокинг-генератор с общей базой генерирует сравнительно стабильные по частоте следования импульсы, формирует импульсы сравнительно малой длительности и генерирует импульсы на коллекторе с плоской вершиной. Блокинг-генератор с эмиттерным конденсатором имеет достоинства, присущие как генератору с общим эмиттером, так и с общей базой. Недостаток этого блокинг-генератора заключается в том, что импульс напряжения на коллекторе транзистора не имеет плоской вершины.

2.2 Обоснование выбора принципиальной схемы

Исходя из начальных данных, для получения импульсов с заданными параметрами больше всего подходит схема транзисторного блокинг-генератора с общим эмиттером. Схема генератора с общей базой не в состоянии обеспечить требуемую скважность импульсов (Q=100). Генератор с эмиттерным конденсатором формирует импульсы, не имеющие плоской вершины, что также не удовлетворяет заданию (dU=3%).

3. Расчетная часть

Длительность фронта импульса с учетом наиболее важных реактивных параметров схемы определяется формулой

(1)

где - входное сопротивление транзистора, приведенное к первичной обмотке; - сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке; - сопротивление и емкость коллекторного перехода; - суммарная индуктивность рассеяния импульсного трансформатора; - коэффициент поправки, принимающий значения 2,5 для сплавных триодов и 1,5 для дрейфовых триодов; - коэффициент трансформации.

При этом предполагается, что индуктивность коллекторной обмотки трансформатора и емкость достаточно велики, а потому не оказывают заметного влияния на формирование фронтов импульса. Для выполнения этих условий необходимо, чтобы в реальной схеме эти параметры удовлетворяли следующим неравенствам:

(2)

(3)

Будем считать, что в соответствии с некоторой конкретной задачей нам задана величина, характеризующая нагрузку , требуемая выходная амплитуда тока () и, кроме того, определен тип используемого транзистора. В этом случае, как можно видеть из анализа (1), работа блокинг-генератора на этапах формирования фронта и среза импульса в основном определяется коэффициентом трансформации n.

Естественно поэтому подбирать значение n таким образом, чтобы длительность этих этапов (при прочих равных условиях) была минимальной. Оптимальное значение коэффициента трансформации следует находить по формуле (4):

(4)

В большинстве практических случаев имеет место соотношение и тогда выражение (4) можно записать в более простом виде

Использование трансформатора с оптимальным значением n позволяет сократить длительность фронта на 30-50%. Однако, рассчитывая коэффициент трансформации, необходимо иметь в виду, что при больших нагрузках значение не должно превосходить некоторой максимальной величины. В противном случае, как нетрудно убедиться, коллекторный ток в конце формирования фронта при подсчитывается по следующей формуле:

 (5)

где - требуемая амплитуда напряжения на нагрузке; - остаточное коллекторное напряжение насыщенного транзистора.

Если при найденном оптимальном значении коэффициента трансформации условие не выполняется, то либо задаются меньшим коэффициентом n, либо выбирают транзистор с большим предельно допустимым значением коллекторного тока.

Дальнейшего сокращения длительности фронтов после того, как коэффициент трансформации выбран оптимальным, можно добиться за счет улучшения конструктивных параметров импульсного трансформатора и, главным образом. За счет уменьшения суммарной индуктивности рассеяния его обмоток . Последнее приходится иметь в виду всякий раз, когда необходимо иметь в виду всякий раз, когда необходимо иметь в виду всякий раз, когда необходимо рассчитать блокинг-генератор, обеспечивающий максимально крутые фронты. При решении этого вопроса полезно помнить несколько простых, но тем не менее весьма полезных практических рекомендаций.

Во-первых, поскольку индуктивность рассеяния возрастает с увеличением индуктивности первичной обмотки, величину последней следует выбирать по возможности меньшей, тем более, что при этом, как будет показано ниже, улучшается стабильность длительности плоской вершины импульса при изменении температуры окружающей среды. Во-вторых, величина индуктивности рассеяния существенно зависит от способа намотки импульсного трансформатора. В частности, при секционном способе намотки она имеет наибольшее значение. Поэтому, несмотря на технологическую простоту, этот способ намотки следует избегать, когда ставится задача получения импульса с минимально короткими фронтами. В этом случае получаются вполне приемлемые результаты, если обмотки равномерно кладутся по всему периметру ферритового кольца, причем вначале следует класть первичную обмотку, затем обмотку обратной связи и в конце выходные обмотки. Изложенный способ тоже достаточно прост в технологическом отношении и с его помощью удается получать величину коэффициента рассеяния у порядка 0,003-0,006.

3.1.2 Расчет длительности плоской вершины импульса. Выбор величины емкости

Трансцендентное уравнение, связывающее длительность плоской вершины импульса с параметрами схемы и транзистора, имеет вид:

(6)

где - постоянная времени накопления, характеризующая процессы накопления и рассасывания носителей в базе; - постоянная заряда емкости .

Уравнение (6) позволяет получить расчетные формулы для определения емкости . Для этого введем в рассмотрение новые переменные Ф, N и и, определяемые соответственно формулами (7)-(9):

(7)

(8)

(9)

Тогда выражение (6) можно переписать в следующем виде:

(10)

Где и принимает, очевидно, как положительные, так и отрицательные значения.

В общем виде трансцендентное уравнение (10) не решается. Однако для различных значений N с помощью формул для приближенных вычислений удается получить приближенные решения этого уравнения относительно емкости . Ниже приводятся результаты соответствующих расчетов:

(11)

(12)

(13)

Формулы (11)-(13) позволяют при сравнительно общих условиях определять емкость , обеспечивающую требуемую длительность импульса, аналитически.

3.1.3 Восстановление коллекторного напряжения

Этап формирования плоской вершины импульса сменяется обратными регенеративным процессов, по завершении которого транзистор попадает в область отсечки. Однако и после этого напряжение на коллекторе продолжает некоторый период времени убывать (за счет энергии магнитного поля, запасенной в трансформаторе), после чего восстанавливается до уровня коллекторного питания . Если ввести в рассмотрение коэффициент , то в зависимости от величины этого коэффициента установление коллекторного напряжения носит апериодический (m>4), критический (m=4) и колебательный (m<4) характер. При этом под и понимаются следующие выражения:

где - сопротивление диода; - емкость эмиттерного перехода.

На практике параметры демпфирующей цепи следует выбирать таким образом, чтобы избегать колебательный режим. В противном случае, как показывает опыт работы с блокинг-генераторами, возникающая после отрицательного всплеска положительная полуволна коллекторного напряжения, трансформируясь во входную цепь, может привести:

к самовозбуждению блокинг-генератора, предназначенного для работы в ждущем режиме (в особенности при повышении температуры). При этом схема может либо выдавать пачку импульсов на каждый импульс запуска, либо с первым пришедшим импульсом начинать непрерывные колебания;

к резкому возрастанию (с изменением нагрузки, температуры) частоты блокинг-генератора, работающего в автоколебательном режиме, что, как правило, приводит к выходу транзистора из строя из-за перегрева. Однако если принять специальные меры по защите транзистора от тепловой перегрузки, то данное явление на практике может быть использовано в тех случаях, когда требуется получить сравнительно высокую частоту колебаний блокинг-генератора при скважности импульсов, равной и меньшей двух.

Установление коллекторного напряжения (апериодический режим) характеризуется максимальным значением последнего, достигаемым за время восстановления. Выражение для максимального коллекторного напряжения в общем виде сравнительно громоздко. При расчетах оценку величины с достаточной степенью точности можно вести по формулам:

(15)

(16)

Время восстановления коллекторного напряжения приблизительно равно . Следовательно, стремление выбрать сопротивление по возможности минимальным с целью уменьшения необходимо согласовать с условием того, чтобы значение не превысило либо периода колебаний блокинг-генератора, либо минимального периода следования запускающих импульсов (ждущий режим).

3.1.4 Восстановление базового напряжения. Влияние температуры на работу схемы. Рекомендация по выбору индуктивности L

Заключительным этапом работы блокинг-генератора в течение полного периода является восстановление базового напряжения. В ждущем режиме время восстановления базового напряжения составляет примерно . В автоколебательном режиме процесс восстановления прерывается в момент возобновления нового цикла колебаний, период повторения которых определяется формулой

 (17)

где - тепловой ток коллектора.

Рассмотрим теперь влияние на работу схемы температуры окружающей среды. Практика показывает, что наиболее существенным образом от температуры зависят длительность импульса и период колебаний T. Зависимость периода колебаний объясняется ростом с температурой теплового тока (18) и изменением напряжения на эмиттерном переходе, при котором в схеме начинается регенеративный процесс:

(18)

(Последний фактор становится доминирующим, когда величина сопротивления R составляет единицы килоом) Формула (19) позволяет оценивать нестабильность периода колебаний блокинг-генератора для случая, когда эта нестабильность вызвана температурным током:

(19)

Температурная зависимость длительности импульса, как показали специальные исследования, определяются температурной нестабильностью постоянной времени накопления .

Можно показать, что для повышения стабильности длительности импульса необходимо уменьшать индуктивность первичной обмотки трансформатора. В связи с этим рекомендуется производить расчет блокинг-генератора, задаваясь возможно меньшим значением L. Последнее, однако, должно быть не меньше некоторой минимальной для заданной длительности импульса величины , при которой коллекторный ток в момент выхода транзистора из насыщения равен своему предельно допустимому значению. Второе условие записывается в виде неравенства (20)

(20)

Где

Формула (20) полученная без учета спада базового тока по окончании регенеративного процесса. Этот спад может составлять до 80% от максимального значения и протекает за время ~. Поэтому выбор индуктивности по формуле (20) обеспечивает существенный запас по току коллектора при условии, если . Когда наличие такого запаса противоречит каким-то иным требованиям, предъявляемым к схеме (малые значения , хорошая стабильность с температурой), то для расчета L допустимо пользоваться формулой (21)

(21)

3.2 Расчет блокинг-генератора

Заданные величины: =16 В, =5 мкс, =500 мкс, =1 мкс, =500 нс, =8 Ом.

Выбираем напряжение питания =12 В.

По заданному напряжению питания и длительности фронта выбираем транзистор VT1 типа КТ814Г. Его параметры: =30, =3,2 мкс, ?0 В, =55 Ом, =75 кОм, =3 МГц, =50 мкА, =3 А, =5 В, =80 В, =60 пФ, =75 пФ, =1,64 мкс, с.

Вычисляем коэффициент трансформации нагрузочной обмотки:

Вычисляем приведенное сопротивление нагрузки:

По формуле (5) оцениваем предполагаемую величину тока , предварительно считая :

Т.к. , то коэффициент трансформации n нельзя принять своему оптимальному значению. Выбираем .

Уточняем :

Вычисляем величину диффузионной емкости:

Уточняем величину коллекторной емкости:

.

По формуле (20) определяем значение индуктивности L:

Ориентировочно предполагаем индуктивность рассеяния .

Оцениваем длительность фронта по формуле (1):

Так как процессы формирования среза и фронта импульса количественно оцениваются одинаково, то для выполнения условия задачи необходимо, чтобы полученное значение было не больше . Очевидно, что данное условие выполняется. Для демпфирующей цепи выбираем диод Д311 () и резистор сопротивлением 20 Ом. Проверяем проверку работы транзистора в пределах допустимых параметров по напряжению:

;

по формуле (16)

т.е. . Проверяем неравенство - выполняется.

Подсчитываем время восстановления коллекторного напряжения:

что гораздо меньше периода .

Определяем величину из выражений (18), (19) (при этом принимаем величину , а рабочую температуру в диапазоне от-5°С до +55°С):

По формулам (7) - (13) вычисляем емкость конденсатора C₁:

Выбираем конденсатор С₁ типа МБГП номинальной емкостью 6,8 мкФ.

Определяем величину сопротивления R, предварительно полагая :

Выбираем резистор R номиналом 180 Ом.

По формуле (19) находим напряжение смещения :

Так как , то можно обойтись без дополнительного источника питания, положив .

Заключение

Для получения прямоугольных импульсов с заданными параметрами была выбрана схема блокинг-генератора с общим эмиттером.

Рассчитанная схема питается от источника напряжения -12 В. С нагрузочной обмотки импульсного трансформатора снимаются прямоугольные импульсы амплитудой 16 В. Схема рассчитана для подключения нагрузки сопротивлением 8 Ом. Генератор работает при температуре от -5°С до +55°С, при этом нестабильность периода колебаний составляет не более 3%. Время восстановления коллекторного напряжения не превышает периода колебаний и составляет 84 мкс, при этом амплитуда выброса на коллекторе транзистора VT1 равна 15 В. Длительности фронтов импульсов равны 270 нс.

Список литературы

Справочник по импульсной технике. - 4-е изд., стереотип. / Под редакцией докт. техн. наук В. Н. Яковлева. - Киев: Технiка, 1973. - 712 с.

Импульсные схемы на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под редакцией Е. И. Гальперина и И. П. Степаненко. - М.: Советское радио, 1970. - 240 с.

Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсная техника: Учебник для техникумов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1985. - 320 с.

Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 495 с.

Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя. - 2-е изд., перераб. и доп. / Р. М. Терещук, К. М. Терещук, А. Б. Чаплинский и др. - Киев: Наукова думка, 1972. - 480 с.

Справочник начинающего радиолюбителя. - 3-е изд., перераб. / Под общей редакцией Р. М. Малинина. - М.: Энергия, 1965. - 658 с.

Нефедов А. В., Гордеева В. И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. - 4-е изд, стереотип. - М.: КУбК-а, 1996. - 400 с.

Я. С. Ицхоки. Импульсная техника // Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская Энциклопедия, 1972. - т. 10, С. 167-168.

Размещено на Allbest.ru