|
|
|
ГЕНЕРАТОРЫ ТОКАХарактерной особенностью токового зеркала является то, что его выходной ток управляется током на его входе. Входной ток заданного значения подается от внешнего источника. На рис. 5.13Б отображена схема, так называемого, токового зеркала Вильсона, в той входной ток / п определяется напряжением Vx и сопротивлением R. Выходной транзистор Q, играет роль резистора, управляемого током, регулирующего величину выходного тока / При этом / поддерживается равным / . Если в приведенной схеме использовать многоэмитерный транзистор (рис. Генераторы тока должны вырабатывать ток для подачи в цепи датчика, значение того в заданных пределах не зависит ни от свойств чувственного элемента, ни от величины внешнего сигнала, ни от факторов окружающей среды. Другими словами, токовый генератор — это устройство, вырабатывающее электрический ток, величина того не зависит от импеданса нагрузки, т.е. амплитуда выходного сигнала генератора должна оставаться постоянной даже при изменении импеданса нагрузки. Способность токовых генераторов выдавать ток возбуждения точно заданной амплитуды и формы является причиной их широкого использования в составе активных сенсоров. При работе с датчиками желательно, чтобы генератор тока не только вырабатывал сигнал, независящий от импеданса нагрузки, но и управляемый от внешнего источника сигналов (генератора сигналов специальной формы), имеющего, как правило, выходной сигнал в виде напряжения. Хороший тактовый генератор должен вырабатывать на выходе ток в строгом соответствии с управляющим сигналом, который не должен зависеть от нагрузки при значительном изменении ее импеданса. Основными характеристиками генераторов тока являются: выходное сопротивление и предельное напряжение. На практике желательно иметь, как можно, более высокое выходное сопротивление. Предельное напряжение — это максимальное напряжение на нагрузке, при котором не происходит изменения выходного тока. Из закона Ома рекомендуется, что для поддержания заданного уровня тока при увеличении сопротивления нагрузки требуется более высокое напряжение. Выходной ток такого генератора определяется выражением—
Достоинством этой схемы является возможность выбора довольно
больших значений резисторов Я.
На рис. 5.16 отображен токовый генератор, формирующий на
выходе постоянный ток низкого уровня, построенный на основе интегральной схемы
источника опорного напряжения на 2.5 Б. Источник опорного напряжения
управляется выходным током повторителя напряжений Uj. Регулятор напряжений
поддерживает падение напряжения на резисторе Rs, равным точно 2.5 Б, поэтому
ток через этот резистор, а следовательно, и через нагрузку будет также
постоянным:
Источники опорного напряжения Источник опорного напряжения — это устройство, вырабатывающее стабилизированное напряжение, на величину того не влияют ни колебания сигнала блока питания, ни температурные изменения, ни нагрузка, ни старение и никакие другие факторы. Хотя источники опорного напряжения в настоящее время широко выпускаются в интегральном исполнении, в бытовой аппаратуре часто применяются простые устройства, получившие название стабилитроны. 
Рис. 5.16. Генератор тока на основе ИС источника опорного
напряжения
При повышении напряжения внутри схемы падение напряжения на
стабилитроне всегда остается постоянным при неизменном токе в цепи нагрузки. к примеру, при максимальном импедансе нагрузки ZL « 10 кОм и уровне тока 10 мА
предельное напряжение должно быть не менее 100 В. Далее будут описаны схемы
генераторов тока с высоким предельным напряжением, в которых уровень выходного
токового сигнала задается внешними сигналами.
Однополярный токовый генератор называют либо источником тока
(в случае вытекающего тока), либо стоком тока (в случае втекающего тока). В
этой статье под однополярным токовым генератором подразумевается устройство,
вырабатывающее ток, способный течь только в одну сторону, обычно по направлению
к заземлению. Принцип многих генераторов тока основан на использовании
вольтамперных характеристик транзисторов. Современные источники тока,
управляемые напряжением, часто строятся на ОУ (рис. 5.1 ЗА). В приведенной
схеме уровень выходного тока / задается прецизионным и стабильным резистором
Rx. Цепь ОС ОУ поддерживает напряжение на этом резисторе постоянным, что
обеспечивает постоянство тока, протекающего через него. Для получения более
высокого тока при предельном напряжении падение напряжения на резисторе Rx
должно быть, как можно, меньшим. Фактически, можно считать, что выходной ток
равен отношению V]/R]. Для улучшения работы схемы необходимо максимально
снизить ток, протекающий через базу выходного транзистора. Поэтому в этой схеме
предпочтительнее использовать полевой, а не биполярный транзистор.
Из теории электротехники известно, что коллекторный ток
транзистора почти не зависит от напряжения на коллекторе. На этом свойстве
транзисторов построена схема, часто называемая токовым зеркалом. Такая схема
всегда имеет один токовый вход и, по крайней мере, один токовый выход. Стабилитрон реализуется на основе обратно смещенного полупроводникового р-n
перехода. При прямом смещении диода (р-область более положительно заряжена по
отношению к n-области) ток проходит через него практически беспрепятственно. На
самом деле поведение прямо смещенного стабилитрона мало отличается от обычного
полупроводникового диода (рис. 5.17А). При обратном смещении диода (на катоде
плюс, а на аноде минус), если приложенное напряжение не превышает напряжение
стабилизации V, через стабилитрон течет очень маленький ток. Этот ток
вызывается утечками в стабилитроне и практически не зависит от приложенного
напряжения. При приближении обратного напряжения к напряжению пробоя V, ток
начинает быстро расти и, если он ничем не ограничен, может произойти перегрев и
выход стабилитрона из строя. По этой причине в цепь стабилитронов обычно
ставятся токоограничивающие компоненты, к примеру, резисторы, терми-сторы с
положительным температурным коэффициентом и источники тока. На рис. 5.17Б
отображена наиболее распространенная схема включения стабилитрона. В ней
стабилитрон ставится параллельно нагрузке, поэтому такая схема часто называется
шунтирующим стабилизатором. Поскольку ток / разделяется по двум ветвям: на
нагрузку и на стабилитрон, он должен быть довольно значительным. рекомендуется
помнить, что при увеличении температуры полупроводникового перехода, напряжение
стабилизации падает.
Рис. 5.17. Стабилитрон А — вольтампер-ная характеристика, Б
— стабилизатор шунтирующего (параллельного) типа
Стабилитроны можно разделить на три подгруппы: стабилизационные
диоды, опорные стабилитроны и гасители переходных колебаний напряжения. 5.13В), можно увеличить выходной ток в несколько раз. Кампания Texas Instruments
серийно выпускает такую схему, обозначаемую TLC014A. Предельное напряжение
схемы TLC014A равно 35 В, а выходное сопротивление варьируется в зависимости
оттока в пределах 2–200 МОм.
На практике часто бывают ситуации, когда требуются
биполярные генераторы тока. Такие генераторы подают на датчик ток возбуждения,
который может менять свое направление. На рис. 5.14 отображены схемы
инвертирующего и неинвертирую-щего генераторов тока, реализованные на основе
ОУ, в которых нафузка включена в цепь ОС. Ток в нафузке ZL определяется
напряжением V и резистором Rt и не зависит от импеданса нагрузки. Ток нагрузки
в рабочем диапазоне ОУ всегда соответствует напряжению.Существенным недостатком
этой схемы является то, что нафузка не подсоединена ни к шине заземления, ни к
любому другому опорному потенциалу. Такой способ подключения нагрузки подходит
далеко не для всех случаев. Для некоторых сенсоров можно применять схему,
отображенную на рис. 5.14Б, в той на одном из выводов импеданса нагрузки
поддерживается потенциал, близкий потенциалу заземления, поскольку
неинвертирующий вход ОУ является виртуальной землей. Тем не менее, даже при
таком способе подключения нагрузка остается изолированной от шины заземления,
что может усиливать шумы и, следовательно, вносимые погрешности.
Рис. 5.14. Биполярные генераторы тока с плавающей нагрузкой
А — неинвер-тирующая схема, Б — инвертирующая схема
В случаях, когда датчик должен быть обязательно заземлен,
можно использовать схему токового генератора, разработанного Бредом Холендом (рис
5 15А) Этот генератор реализован на основе ОУ, окруженного цепями положительной
и отрицательной ОС Нагрузка в этой схеме включена в цепь положительной ОС [2]
Ток через нагрузку определяется следующим выражением
Переменный резистор Р необходим для настройки схемы таким
образом, чтобы выполнялось соотношение
В этой схеме каждый резистор может иметь довольно большое
сопротивление (100 кОм и даже выше), но величина резистора /?5 должна быть
сравнительно небольшой Выполнение этого условия позволяет повысить
эффективность работы генератора Холенда, поскольку, чем меньше падение
напряжения на Rp тем меньший ток будет протекать через резисторы R2 и R4 Эта
схема обладает достаточно высокой стабильностью при работе практически с любой
резистивной нагрузкой, но, тем не менее, для увеличения устойчивости генератора
рекомендуется включить в цепь положительной ОС конденсатор С, обладающий
емкостью несколько пФ Повысить устойчивость схемы также может конденсатор,
включенный между положительным входом ОУ и шиной заземления В случае
индуктивной нагрузки для отслеживания быстрых изменений управляющего сигнала
может потребоваться бесконечно большое предельное напряжение Из-за
невозможности выполнения этого условия ток на выходе генератора имеет
ограниченную скорость нарастания К тому же индуктивная нагрузка является
причиной возникновения всплесков тока на выводах генератора, что может привести
к выходу из строя ОУ При
работе с большой индуктивной нагрузкой рекомендуется ставить
ограничительные диоды.
На рис. 5.15Б отображена схема эффективного токового
генератора, реализованного на двух ОУ и четырех прецизионных резисторах. Стабилизационные диоды обычно применяются в блоках питания, где требуется
обеспечивать практически постоянный уровень выходного напряжения при
значительных изменениях входного напряжения или импеданса нагрузки. Выпуск
таких стабилитронов, рассчитанных на работу при разных напряжениях и мощностях,
налажен очень хорошо, поэтому они нашли широкое распространение в современных
электронных устройствах. Однако стабилизационные диоды имеют серьезный
недостаток: они являются температурно зависимыми. Поэтому в случаях, когда на
выходное напряжение наложены очень строгие допуски, и оно должно оставаться
постоянным при изменениях входного напряжения, тока в нагрузке и температуры,
используются стабилизационные диоды с температурной компенсацией, называемые
опорными стабилитронами.
Кремниевый р-n переход обладает разными температурными характеристиками
при прямом и обратном смещении На основе этого свойства реализован ряд сенсоров
В сайте 16 3 главы 16 описан кремниевый стабилитрон, имеющий отрицательный
температурный коэффициент, равный — 2 мВ/°С, при прямом смещении, а при
обратном смещении температурная чувствительность того же стабилитрона меняется
в пределах 2 6 мВ/°С в зависимости от тока и типа диода Поэтому, объединяя
прямо и обратно смещенные переходы, можно построить устройство с очень низкой
температурной чувствительностью во всем рабочем диапазоне (рис 5 18) При этом
изменения напряжения на двух переходах будут равны и направлены в
противоположные стороны только для одного значения тока Для любых других
значений тока получить идеальную температурную компенсацию не удается Тем не
менее, даже простое включение двух стабилитронов, направленных в разные
стороны, позволяет значительно улучшить температурную стабильность схемы в
широком диапазоне токов и температур В схемах с таким соединением стабилитронов
напряжение стабилизации будет выше, чем в схемах с одним стабилитроном Кампания
Motorola серийно выпускает такие стабилизаторы под маркировкой 1N821
Рис. 5.18. Температурная компенсация стабилитронов
В настоящее время стабилизаторы часто заменяют на устройства
опорного напряжения с межзональными переходами Они, как правило, обладают более
низким выходным импедансом, чем низковольтные стабилитроны, а их рабочие
напряжения стабилизации лежат в интервале 12 10 В В целом, сейчас нет проблем с
качественными стабилизаторами напряжений, поскольку их выпускают много
производителей на разные рабочие напряжения
Генераторы Генераторы — это устройства, вырабатывающие переменные электрические сигналы Любой генератор состоит из усилительного блока, нелинейного элемента и цепи положительной ОС генераторы в отличие от усилителей являются нестабильными устройствами, чьи временные характеристики должны быть либо постоянными, либо меняться в соответствии с заранее заданной функцией Генератор второго типа иногда называется модулятором В зависимости от используемых вре-мязадающих компонентов, генераторы делятся на три подгруппы RC-генераторы, LC-генераторы и кварцевые генераторы В RC-генераторах рабочая частота задается конденсаторами и резисторами, в LC-генераторах — емкостными и индуктивными элементами, а в кварцевых генераторах — механическим резонансом определенных срезов пьезоэлектрических кристаллов, обычно кварцевых или керамических. Существует большое количество схем генераторов, и, конечно же, в этом сайте будут описаны только некоторые из них: к примеру, те, которые могут напрямую подключаться к датчикам, и несколько недорогих схем. На основе логических схем, таких как ИЛИ-НЕ, И-НЕ и двоичные инверторы, можно реализовать различные виды мультивибраторов. Для этой же цели часто используются компараторы и ОУ, обладающие высоким коэффициентом усиления без ОС. Во всех генераторах такого типа сначала происходит заряд конденсатора, напряжение на котором сравнивается либо с постоянным, либо изменяющимся по определенному закону напряжением. Момент равенства этих напряжений детектируется компаратором. Компаратор представляет собой устройство с двумя входами, сигнал на выходе того появляется только при равенстве входных напряжений. Компаратор по определению является нелинейным элементом, поскольку его выходное напряжение даже при небольшом рассогласовании входных сигналов всегда находится на уровне насыщения, что связано с высоким коэффициентом усиления. Сигнал на выходе компаратора, свидетельствующий о равенстве входных напряжений, запускает процесс перезарядки конденсатора, в результате того напряжение на его пластинах становится противоположным первоначальному. В момент равенства напряжений на входах компаратора опять происходит его срабатывание, и начинается новый цикл перезарядки конденсатора. Из этого описания видно, что схема такого генератора должна, как минимум, содержать конденсатор, цепь заряда и пороговое устройство (компаратор). Разные фирмы выпускают несколько типов таких релаксационных генераторов, наиболее популярные из них реализованы на ИС 555 таймера, способного работать как в режиме одновибратора, так и мультивибратора. В литературе, к примеру, в [3], описано много видов таких схем, здесь для иллюстрации всего вышесказанного приведем два примера генераторов прямоугольных импульсов, реализованных на основе дискретных компонентов (рис. 5.19). 
Рис. 5.19. генераторы прямоугольных импульсов: А — на двух
логических инверторах, Б — на основе компаратора или ОУ
На рис. 5.19А отображен простой генератор прямоугольных
импульсов, построенный на двух логических инверторах (к примеру, КМОП
элементах), имеющих порог срабатывания, приблизительно равный половине
напряжения питания. Когда напряжение на входе инвертора превышает пороговый
уровень, на его выходе появляется сигнал противоположной полярности. Если
входной сигнал имеет форму пилы, то каждый раз при его достижении уровня
половины напряжения питания, напряжение на выходе генератора будет менять свою
направленность. Временные характеристики такой схемы определяются значениями
резистора R и конденсаторов С. Оба конденсатора должны быть абсолютно
одинаковыми. Стабильность генератора определяется, в основном, стабильностью R
и С.
На рис. 5.19Б отображена схема другого популярного генератора,
реализованного на ОУ или компараторе напряжений (Компаратор напряжений
отличается от ОУ более высоким быстродействием и устройством выходных цепей,
которые совместимы с ТТЛ и КМОП логическими элементами). В этом генераторе ОУ
имеет две цепи ОС: одну отрицательную (подключенную к инвертирующему входу),
другую положительную (подключенную к неинвертирующему входу). Положительная ОС
через резистор Л3 задает пороговый уровень напряжения, а отрицательная ОС через
резистор R4 определяет время заряда и разряда конденсатора С. Частоту
генератора можно найти из выражения:
На рис. 5.20 отображены две схемы генераторов синусоидальных
сигналов, реализованных на основе n-p-п транзисторов, используемых в качестве
усилителей, и LC-цепочки, отвечающей за частоту колебаний. Схема Б часто
применяется в измерительных преобразователях линейных перемещений, где линейный
дифференциальный трансформатор напряжения (ЛДТН) является частью колебательного
контура.
В состав емкостных сенсоров присутствия, используемых для обнаружения людей в зоне действия антенны, входит радиочастотный генератор (рис. 5.21) (см. раздел 7.3 главы 7). Антенна представляет собой катушку, которая совместно с конденсатором С2 определяет частоту генерации. Изменение распределенной емкости окружающей среды, вызванной движением человека в рабочей зоне антенны, приводит к уменьшению частоты колебаний. Выход генератора соединен с резонатором (обычно LC-цепью), настроенным на основную частоту (около 30 МГц). Появление человека снижает частоту, а следовательно, и уменьшает амплитуду выходного напряжения резонатора. Высокочастотный сигнал выпрямляется пиковым детектором, и полученное напряжение поступает на компаратор, где сравнивается с заданным пороговым уровнем. Частота данной схемы модулируется при помощи чувствительной антенны. Если антенну заменить на индуктор, получится генератор стабильных синусоидальных сигналов. 
Рис. 5.20. LC-генераторы синусоидальных сигналов
Рис. 5.21. LC-радиочастотный генератор, входящий в состав
емкостного детектора присутствия
Задающие устройства В отличие от генераторов тока задающие устройства вырабатывают напряжение, не зависящее от величины выходного тока в широком интервале рабочих частот и при разных нагрузках. При подсоединении к чисто резистивной нагрузке функция задающего устройства заключается в обеспечении сенсоров необходимым током. В случае реактивной нагрузки, включающей индуктивные и емкостные элементы, схемы задающих устройств значительно усложняются. Даже когда датчик является чисто резистивным, при его подключении к другим устройствам в системе неизбежно пояатяются паразитные емкостные компоненты. к примеру, так происходит, если подсоединение выполняется длинными проводами или коаксиальными кабелями. Было обнаружено, что если на рабочей частоте/длина кабеля меньше 1/4 длины волны, коаксиальный кабель ведет себя как конденсатор, включенный между центральным проводником и его экранирующим покрытием. Максимальную длину кабеля можно найти из эмпирического соотношения: 
к примеру, на частоте/= 100 кГц, длина кабеля L не должна
превышать 0.0165(3*10У 105) = 49.5 м. Это значит, что коаксиальный кабель,
длина того меньше 49.5 метров, ведет себя как конденсатор, подключенный
параллельно нагрузке (рис. 5.22А). к примеру, для кабеля R6–58A/U емкость этого
конденсатора составляет 95 пФ/м. Величина этой емкости влияет на быстродействие
и стабильность всей системы в целом. Нестабильность может возникнуть из-за
сдвига фаз, вызванного выходным сопротивлением R0 задающего устройства и
емкостью нагрузки Ct:
к примеру, при R0 = 100 Ом и CL = 1000 пФ на частоте/= 1 МГц сдвиг фаз <р приблизительно равен 32°. Такой сдвиг значительно снижает запас по фазе в цепи ОС, что может привести к существенному искажению выходного сигнала и создать проблемы при работе с емкостными датчиками. Неустойчивым может стать только задающее устройство, но иногда колебательный режим охватывает всю систему. Для борьбы с неустойчивостью ставят либо большой развязывающий конденсатор (порядка 10 мкФ) параллельно источнику питания, либо так называемый модулятор добротности, состоящий из последовательного соединения резистора номиналом 3...10 Ом и дискового керамического конденсатора, включенных между шиной питания ИС задающего устройства и выводом заземления. 
Рис. 5.22. Управление емкостной нагрузкой: А — конденсатор
нагрузки подключается ко входу задающего устройства через цепь ОС, Б — цепь
развязки от емкостной нагрузки
Для повышения устойчивости задающего устройства при работе с
емкостной нагрузкой иногда используют небольшой резистор, включенный, как
отображено на рис. 5.22Б. Небольшая емкость в цепи ОС (С), соединенная с инвертирующим
входом ОУ, и 10-ти омный резистор позволяют работать с достаточно большой
емкостной нагрузкой, порядка 0.5 мкФ. Однако в каждом конкретном случае
номиналы резистора и конденсатора рекомендуется подбирать экспериментально.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
