Общая характеристика импульсных устройств.

Импульсными называют устройства, работающие в прерывистом режиме. В таком режиме кратковременное воздействие чередуется с паузой, длительность которой соизмерима с длительностью переходных процессов, во время паузы температура устройства снижается, что позволяет уменьшить габариты импульсных устройств (ИУ).

Назначение импульсных устройств: формирование и генерирование импульсов заданных форм и параметров, а также управление импульсами. Импульсный режим работы лежит в основе работы многих устройств промышленной электроники,

Импульсом называют кратковременное изменение напряжения в электрической цепи, длительность которого соизмерима с длительностью переходных процессов в этой цепи.

Импульсы бывают прямоугольной, трапецеидальной, пилообразной, треугольной, экспоненциальной и колоколообразной формы, показанные соответственно на рис. 6.1, а - е.

Рис. 6.1

Параметры импульсов:

- период повторения Т, т. е. отрезок времени между началом двух соседних однополярных импульсов.

-частота следования импульсов f =1/Т

-скважность импульсов: q=T/t_и=1/F t_и

- коэффициентом заполнения импульсов K_з=1/q= t_и/T

Дифференцирующие цепи (ДЦ).

Дифференцирующими называют цепи, у которых напряжение на выходе пропорционально производной входного напряжения, т. е.

u_вых = a(du_вх/dt) (6.7)

ДЦ применяют для получения импульсов очень малой длительности (укорочение импульсов), которые используют для запуска триггеров, одновибраторов и других устройств и для выполнения математической операции дифференцирования (получение производной во времени) сложных функций, заданных в виде электрических сигналов, что имеет место в вычислительной технике, аппаратуре авторегулирования и др.

Схема емкостной ДЦ показана на рис. 6.4, а. Входное напряжение u_вх прикладывается ко всей цепи, а выходное снимается с резистора R.

Toк,проходящий через емкость, связан с напряжением на емкости соотношением i_c=C(du_c/dt).Учитывая, что этот же ток проходит через сопротивление R, для выходного напряжения получим u_вых=i_cR=RCdu_c/dt=RCd(u_вх-u_вых)/dt

Если u_вых<< u_вх, что имеет место, когда падение напряжения на резисторе R много меньше напряжении u_с, то уравнение можно записать в приближенном виде:

u_вых≈RCdu_вх/dt

Соотношение u_вых<<u_вх ≈u_c выполняется в том случае, если сопротивление R много

Рис. 6.4

меньше величины реактивного сопротивления конденсатора, т. е. R<< 1/(ωС), где ω — частота высшей гармоники импульсного сигнала. Следовательно, дляполучения дифференцирующей RС-цепи необходимо выбирать элементы R и С достаточно малыми.

В момент времени t₁ напряжение на входе цепи скачком достигает значения и_вх=U_m. Учитывая, что напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может и равно в начальный момент времени нулю, все входное напряжение прикладывается к сопротивлению R (u_вых = u_R = U_m). В дальнейшем конденсатор С заряжается втечение времени t₁ < t <t₃. При этом напряжение на конденсаторе увеличивается, а на резисторе R уменьшается так, что в каждый момент времени сумма напряжений на конденсаторе и резисторе равна приложенному напряжению, т. е. и_с + u_R = U_m.

Через промежуток времени t≥3RC (момент времени t₂) конденсатор зарядится практически до напряжения, равного приложенному напряжению U_m, u_R станет равным нулю, а зарядный ток прекратится. Этим заканчивается формирование выходного положительного остроконечного импульса длительностью t_и ≈ 3RC, имеющего конечную амплитуду U_m., в момент времени t₂ конденсатор начинает разряжаться. Его напряжение полностью приложенок резистору R. Так как впервый момент времени это напряжение равно U_m, то через резистор идет ток разряда конденсатора i_c = U_т/R. Направление тока разряда противоположно направлению зарядного тока, поэтому полярность напряжения на резисторе изменяется. По мере разряда конденсатора напряжение на нем уменьшается, а вместе с ним уменьшается падение напряжения на резисторе R. В результате формируется импульс отрицательной полярности той же длительности. Таким образом, дифференцирование сопровождается укорочением длительности импульсов.

Интегрирующие цепи (ИЦ).

Интегрирующей называют цепь, у которой выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения:

u_вых = a∫u_вхdt (6.10)

Применяют ИЦ для получения линейно изменяющихся (пилообразных) напряжений.

Напряжение на выходе интегрирующей цепи определяется равенством

u_вых=u_c=1/С·∫idt

Когда напряжение на конденсаторе С незначительно по сравнению с падением напряжения на резисторе R,т. е. u_вых = и_с << u_R,то ток i в цени пропорционален входному напряжению, которое прикладывается ко всей цепи. Поэтому i= u_вых/R и u_вых≈1/RC·∫u_вхdt (6.11)

Очевидно, что условие интегрирования будет выполнено при R >>1/ωС (RС>>1/ω) .

Рис. 6.5

В момент поступления импульса t = t₁ на вход цепи все входное напряжение оказывается приложенным к резистору, а напряжение на конденсаторе равно нулю. Далее в период времени t₁ — t₂ происходит медленный заряд конденсатора и напряжение на нем медленно возрастает. К. моменту окончания входного импульса (t=t₂) напряжение на конденсаторе не успевает достигнуть значения напряжения U_т. После окончания входного импульса конденсатор так же медленно разряжается. Таким образом, на емкостном выходе цепи будут выделяться растянутые импульсы, имеющие форму экспоненциальной пилы.