 |
Основные теоретические положения
|
|
|
|
Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого остается на постоянном уровне, если входное напряжение выходит за переделы ограничения. Если входное напряжение не выходит за пределы ограничения, то выходное напряжение повторяет форму входного. Диодные ограничители применяют для формирования импульсов из сигналов произвольной формы, в том числе и из синусоидального сигнала.
Диодные ограничители последовательного типа характеризуются тем, что диод включают последовательно с нагрузкой. Простейшим диодным ограничителем последовательного типа является схема однополупериодного выпрямителя. Если входной сигнал является переменным, то в такой схеме на выходе получим полусинусоидальные импульсы. Амплитуда их будет определяться амплитудой входного сигнала, а длительность будет близка к половине периода. Для регулирования амплитуды и длительности выходных импульсов в последовательную цепь включают источник управляющего напряжения (рис. 1). При той полярности, которая указана на рис 1, этот источник препятствует открыванию диода в положительный полупериод входного сигнала. Поскольку Ey препятствует открыванию диода, то открывание его произойдет в момент времени, когда напряжение сигнала положительной полуволны начнет превышать величину управляющего напряжения.
Рис 1. Диодный ограничитель снизу.
Рис 2. Графики напряжений входного источника e и выходного
напряжения Uн при различных значениях источника управляющего
напряжения Ey.
При этом к нагрузке будет приложена разность потенциалов e-Ey. Закрывание диода произойдет, когда e станет меньше Ey. В результате на нагрузке будем иметь импульс меньшей амплитуды и меньшей длительности (рис 2). Чем больше Ey, тем меньше амплитуда и длительность выходного напряжения.
|
|
|
При изменении полярности Ey, источник управляющего напряжения будет способствовать открыванию диода. При нулевом значении e диод будет уже открыт, а момент его открывания будет соответствовать еще отрицательному входному сигналу, превышающему напряжение источника управления. При этом к нагрузке будет приложена сумма напряжений е+ Ey. Закрывание диода произойдет в тот момент, когда е будет более отрицательно, чем Ey. На нагрузке будут импульсы большей амплитуды и длительности. Длительность будет больше полупериода. Чем больше величина отрицательного управляющего напряжения, тем больше амплитуда и длительность.
Таким образом, работа последовательных диодных ограничителей основана на нелинейности вольтамперных характеристик диодов. В открытом состоянии диод подключает нагрузку к источнику входного сигнала, в закрытом - отключает ее. Открытое или закрытое состояния диода определяется отношением амплитуд напряжений входного сигнала Uвх и источника управления Еу. При открытом состоянии диода выходное напряжение определяется коэффициентом перехода kпр, который для схемы одностороннего ограничителя (рис 1) при Еу:
, (1)
где Rн, Rпр, Rс - соответственно сопротивления нагрузки, прямосмещенного диода и источника входного сигнала.
Запишем приведенное соотношение (1) в виде:
, (2)
Учитывая, что Rн>>Rпр и Rн>>Rc, получим kпр » 1, что характеризуется наклоном передаточной характеристики диодного ограничителя при открытом диоде под углом 45° (рис 3).
Рис 3. Передаточная характеристика
последовательного диодного ограничителя.
В закрытом состоянии при Ен = 0 коэффициент передачи:
. (3)
Здесь Rобр - обратное сопротивление диода.
При Rобр>> Rн, kогр =0. Уравнения (2) и (3) показывают, что сопротивления нагрузки в последовательных диодных ограничителях должно находиться в пределах:
|
|
|
Rобр>>Rн>>Rпр.
Расчет kпр и kогр с учетом величины Еу принципиально ничем не отличаются и выполняются обычными методами теории электрических цепей.
Рассмотренный последовательный ограничитель производит ограничение снизу. При изменении полярности включения полупроводникового диода можно получить ограничитель, производящий ограничение сверху. При последовательном соединении двух ограничителей: "снизу” и “сверху”, получим двухсторонний ограничитель (рис 4).
a) б)
Рис 3. Диодные ограничители: а) ограничение сверху; б) двухстороннее ограничение.
Разновидностью последовательных диодных ограничителей являются схемы, в которых выходное напряжение снимается с последовательного соединения сопротивления нагрузки Rн и источника постоянного смещения Еу. Иногда выходным напряжением требуется напряжение на полупроводниковом диоде VD или на последовательно соединенных полупроводниковом диоде VD и сопротивлении нагрузки Rн. Включение стабилитрона вместо диода приводит к двухстороннему ограничению с разными уровнями для положительных и отрицательных входных сигналов.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ.
1. Начертите схемы для исследования последовательных ограничителей сверху и снизу при использовании стабилитрона.
2. Рассчитать коэффициенты передачи этих схем с учетом источника управляющего напряжения Еу.
3. Построить передаточные характеристики диодных ограничителей.
4. Построить графики входного и выходного напряжений для трех значений управляющего напряжения Еу<0, Еу=0, Еу>0. Определить моменты времени включения и отключения диода (стабилитрона).
ПРОГРАММА РАБОТЫ.
1. Собрать электрическую цепь последовательного диодного ограничителя снизу.
Указание. Элементы диодного ограничителя взять из панели нелинейных элементов лабораторного универсального стенда. Источником входного сигнала служит звуковой генератор, расположенный на стенде, источником постоянного напряжения управления является регулируемый стабилизатор, расположенный на плате источников питания.
2. Снять осциллограммы входного напряжения, напряжения на диоде и выходных импульсов на сопротивлении нагрузки при различных напряжениях управляющего сигнала Еу=0, Еу<0, Еу>0.
|
|
|
Указание. Частоту звукового генератора установить в диапазоне (1-10) кГц, амплитуду - (10¸20) В. Масштаб напряжений mU при данном (фиксированном) усилении по оси у осциллографа определить по выбранному и измеренному при помощи вольтметра напряжению источника Еу. Масштаб времени mt по оси x осциллографа определить по частоте звукового генератора.
3. Определить по осциллограммам моменты времени включения и отключения диода (стабилитрона) и сравнить их с расчетными.
4. Повторить пункты 2 и 3, если входной сигнал снимается с последовательно соединенных сопротивлений нагрузки и источника Еу.
5. Повторить пункты 1-4 для последовательного диодного ограничителя сверху.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Отчет должен содержать цель работы, схемы экспериментов, расчет коэффициентов передачи и моменты времени включения и отключения диодов, осциллограммы, выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Для чего предназначены последовательные диодные ограничители?
2. Перечислите виды диодных ограничителей последовательного типа.
3. Что такое коэффициент диодного ограничителя и как он определяется?
4. Как определить моменты времени включения и отключения диодного ограничителя?
5. Расскажите принцип работы двухстороннего диодного ограничителя.
6. Определите форму выходного напряжения двухстороннего ограничителя при постоянных управляющих напряжениях, равных нулю.
7. Начертите передаточную характеристику двухстороннего диодного ограничителя.
8. Как определить напряжения ограничения для двухстороннего ограничителя? [1, пар. 6.7; 2, пар. 9.1; 3, пар. 3.4]
9. Какова форма выходного напряжения в последовательном диодном ограничителе, содержащем последовательно и встречно соединенные диод и стабилитрон?
10. Начертите схему фиксатора уровня.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. М, ВШ, 1991.
2. В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко. Электроника и микросхемотехника, часть 1. Киев, 1989.
|
|
|
3. В.К. Захаров, Ю.И. Лыпарь. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л., Энергоатомиздат, 1984.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ДИОДНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью работы является изучение методов построения и принципов работы схем параллельных диодных ограничителей. Исследование влияния элементов параллельных диодных ограничителей на форму и параметры выходного сигнала.
|
|
|
