500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями - [9]

В основе работы большинства устройств, генерирующих прямоугольные импульсы, лежат процессы заряда или разряда конденсатора через некоторое сопротивление. Познакомимся с этими процессами подробнее.

Известно, что если конденсатор емкостью С подключить к источнику напряжением U через резистор сопротивлением R в некоторый момент t₀, то напряжение на конденсаторе будет нарастать во времени u(t) по экспоненциальному закону u(t) = U(1 — е^-t/τ). График этой зависимости для τ = τ₁ изображен на рис. 2.1 (кривая 1).

Рис. 2.1. Кривые заряда конденсатора

Скорость нарастания экспоненты будет определяться так называемой постоянной времени цепи заряда τ = RC (в секундах). Считается, что конденсатор практически полностью зарядится до напряжения питания через время, равное 3τ.

Схемы генераторов импульсов строятся таким образом, что в момент t₀ с помощью электронного ключа к конденсатору подключается зарядная цепь. Этот момент соответствует началу формирования импульса. Полезно отметить, что ток заряда конденсатора в первый момент времени t₀ максимален и равен величине U/R, так как разряженный конденсатор для скачка тока не представляет никакого сопротивления (его можно считать короткозамкнутым). По мере заряда ток убывает по экспоненциальному закону. Нарастающее на конденсаторе напряжение сравнивают с некоторым пороговым напряжением U_пop. В момент их равенства специальная схема обрывает формируемый импульс.

Таким образом, длительность полученного импульса (рис. 2.1) будет определяться как уровнем порогового напряжения, так и наклоном экспоненты, зависящим от постоянной времени τ. В целях иллюстрации последнего утверждения кривая 3 построена для τ₃ = 3τ₁. Отметим, что длительность импульса определятся еще и напряжением, от которого заряжается конденсатор.

Кривые 1 и 2 соответствуют одной и той же τ₁, но построены для разных напряжений источника. Длительностью вырабатываемых импульсов можно управлять, изменяя следующие параметры:

♦ напряжение, от которого заряжается конденсатор (U);

♦ уровень порогового напряжения (U_nop);

♦ постоянную времени цепи заряда τ = RC.

В последнем случае несложно реализовать плавное изменение τ с помощью переменного резистора, что и делается в большинстве конструкций.

Подобно заряду, разряд конденсатора происходит также по экспоненте, только теперь она убывает: u(t) = U∙е^-(t/τ).

Генераторы импульсов могут строиться как на использовании фазы заряда, так и фазы разряда конденсатора.

При любом способе управления длительностью (для обеспечения пропорциональности между варьируемым параметром и длительностью получаемых импульсов) необходимо использовать как можно более линейный участок кривой, т. е. самое начало экспоненты. Так как обычно имеются серьезные аргументы в пользу выбора значительной величины напряжения порога, необходимо использовать либо цепи с большими постоянными времени, либо увеличивать напряжения, питающие зарядно-разрядные цепи.

Последнее достигается применением на стадии формирования импульса режима перезаряда конденсатора. В самом деле, если конденсатор предварительно зарядить до напряжения U (рис. 2.2, а), а затем, поменяв местами его выводы, подключить к этому же источнику, то перезаряд будет происходить под действием удвоенного напряжения (рис. 2.2, б, кривая 2). Изложенные соображения полезно помнить при рассмотрении принципов действия конкретных формирователей, описанных ниже.

Рис. 2.2. Перезаряд конденсатора: а — заряд, б — перезаряд

И, в заключение, еще об одной функции конденсатора: обладая даже незначительной емкостью, он способен практически без изменения передавать через себя скачки напряжения. Механизм этого явления поясняется рис. 2.3.

Рис. 2.3.Передача конденсатором скачков напряжения

Если к входу изображенной цепи достаточно долго приложено напряжение U₀, то за счет зарядного тока I конденсатор, через время, равное 3τ, зарядится до этого напряжения.

Протекание тока через конденсатор и резистор прекратится, и выходное напряжение будет равно нулю. Если теперь входное напряжение скачком увеличится (уменьшится) на величину ΔU (момент I,), то возникнет ток, заряжающий конденсатор до нового значения U₀ + ΔU. В первый момент этот ток максимален и, протекая через резистор R, создаст на выходе точно такой же скачок напряжения ΔU (рис. 2.3).

По мере заряда конденсатора ток будет уменьшаться по экспоненциальному закону, по такому же закону уменьшится и выходное напряжение. Процесс закончится, когда конденсатор зарядится до нового значения. Выходное напряжение опять станет равным нулю.

Если в момент t₂ входное напряжение вернется к исходному значению, то конденсатор С также будет разряжаться до этого значения. Разрядный ток в первый момент будет максимальным и потечет от положительной обкладки конденсатора через внутреннее сопротивление источника входного сигнала (на рисунке не показано) и через резистор R — снизу вверх на правую обкладку конденсатора. Протекая через резистор R, ток создаст на нем падение напряжения точно такой же формы, что и в момент t₁, но противоположного знака. Рассмотренную цепь часто называют дифференцирующей, если длительность выходных всплесков напряжения существенно меньше длительности входного импульса.