Нагрдзкд

Выпрямители с умножением напряжения. Схема, показанная на рис. 1.73, называется удвоителем напряжения. Для того чтобы понять, как работает эта схема, представьте, что она состоит из двух последовательно соединенных выпрямителей. Фактически эта схема является двухполупер йодным выпрямителем, так как она работает в каждом полупериоде входного сигнала - частота пульсаций в 2 раза превышает частоту колебаний питающей сети (для сети с частотой 60 Гц, как в США, частота пульсаций составляет 120 Гц).

Разновидности этой схемы позволяют увеличивать напряжение в 3, 4 и более раза. На рис. 1.74 показаны схемы выпрямителей, обеспечивающие увеличение напряжения в 2, 3 и 4 раза, в которых один конец обмотки трансформатора заземлен.

Рис. 1.73.

Вход (напряжение перем.

Вход (напря.-кгние лергм.

Вход (напряжение лерем. глока)

Рис. 1.7?

1.29. Стабилизаторы напряжения

Путем увеличения емкости конденсатора можно уменьшить пульсации напряжения до требуемого уровня. Такой способ борьбы с пульсациями имеет два недостатка:

1. Конденсаторы нужной емкости могут оказаться недопустимо громоздкими и дорогими.

2. Даже в том случае, когда пульсации уменьшены до пренебрежимо малого уровня, наблюдаются колебания выходного напряжения, обусловленные уже другими причинами, например, изменения входного напряжения сети ведут к флюктуациям выходного напряжения постоянного тока. Кроме того, изменение выходного напряжения может быть вызвано изменением тока нагрузки, так как трансформатор, диод и другие элементы обладают конечным внутренним сопротивлением. Иначе говоря, для эквивалентной схемы источника питания постоянного тока справедливо соотношение /? > 0.

Более правильный подход к разработкеисточникапитания состоит в том, чтобы с помощью конденсатора уменьшить пульсации до некоторого уровня (чтобы они составляли, например, 10% от напряжения постоянного тока), а затем, для устранения остатков пульсаций,

Стпабилизатор Вход Быход[-о Земля

использовать схему с обратной связью. Такая схема содержит управляемый резистор (транзистор), подключаемый последовательно к выходу схемы, за счет которого уровень выходного напряжения

поддерживается постоянным (рис. 1.75).

Подобные стабилизаторы напряжения используют почти повсеместно в качестве источников питания для электронных схем. В настоящее время промышленность выпускает стабилизаторы напряжения в виде законченных, готовых к использованию модулей. На основе стабилизатора напряжения можно построить удобный для работы источник питания, которому не страшны никакие опасности (короткие замыкания, перегрев и т. п.) и характеристики которого удовлетворяют самым высоким требованиям, предъявляемым к источнику напряжения (например, внутреннее сопротивление такого источника из.ме-ряется в миллиомах). Источники питания постоянного тока со стабилизаторами напряжения мы рассмотрим в гл. 5.

Рис. 1.75.

1.30. примеры использования диодов

Выпрямление сигналов. Бывают такие случаи, помимо тех, что мы рассмотрели выше, когда сигнал должен иметь только одну полярность. Если входной сигнал не является синусоидальным, то говорить о его выпрямлении не принято, хотя процесс выпрямления применим и к нему. Например, требуется получить последовательность импульсов, совпадающих с моментами нарастания прямоугольного сигнала. Проще всего продифференцировать прямоугольный сигнал, а затем выпрямить его (рис. 1.76).

с

I 1 I

Рис. 1.76.

Следует всегда иметь в виду, что прямое напряжение диода составляет приблизительно 0,6 В. На выходе нашей схемы, например, сигнал будет получен лишь в том случае, когда двойная амплитуда прямоугольного входного сигнала будет не меньше 0,6 В. Это условие накладывает определенные ограничения на разработку схемы, но известны приемы, с помощью которых их можно преодолеть. Например, .можно воспользоваться диодом Шоттки, дпя которого прямое напряжение составляет около 0,25 В (можно также использовать так называемый обращенный диод с нулевым прямым напряжением, но его применение ограничено из-за того, что он имеет

малое напряжение пробоя). Можно также воспользоваться схемой, показанной на рис. 1.77. Прямое напряжение на диоде Лг компенсируется за счет диода Hi, обеспечивающего смещенпе величиной 0,6 В. Это смещение определяет порог проводимости для Да. Формирование смещения с помощью дио- Вход-

с

1,0 кОм +0,6 Б

Рис. 1.77.

+5 в 1

-Выход

1,0 ком

10 кОг.1

да Их (а не с помощью, например, делителя напряжения) имеет следующие преимущества: нет необходп.мости проводить регулировку уровня смещения, так как схема обеспечивает почти идеальную компенсацию; изменение прямого напряжения диодов (связанное, например, с изменением температуры) компенсируется и не сказывается на работе схемы. В дальнейшем мы еще не раз встретим примеры компенсации изменений прямого напряжения с помощью согласованной пары диодов, транзисторов и полевых транзисторов: этот прием очень эффективен и прост в исполнении.

Диодные вентили. Еще одна область применения диодов основана на их способности пропускать большее из двух напряжений, не оказывая влияния на меньшее. Схемы, в которых используется это свойство, объединены в семейство логических схем. Рассмотрим схему с резервной

батареей питания - ока

Источник питания пост тока

(0?пфиль-

рован)

т

п

ОтП2Б до +15 Б Элентрон-ные часы Земля

Батарея 12 Б

используется в устройствах, которые должны работать непрерывно даже при отключениях питания (например, точные электронные часы). Схема, показанная на рис. 1.78, включает как раз такую батарею. В отсутствие сбоев питания батарея не рабо-Рис. 1.78. тает, при возникновении

сбоя питание на схему начинает поступать от батареи, при этом перерыва в подаче питания не происходит.

Упражнение 1.28. Измените схему так, чтобы батарея заряжалась от источника постоянного тока (в том случае, разумеется, когда питание есть) током 10 мА (такая схша нужна для того, чтобы поддерживать заряд батареи).

Диодные ограничители. В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения сигнала, например напряжения, можно

воспользоваться схемой, показанной на рис. 1.79. Благодаря диоду выходное напряжение не может превышать значения +5,6 В, при этом наличие диода никак не сказывается на меньших значениях напряжения (в том числе и на отрицательных); единственное условие

состоит в том, что отрицательное входное -Выход напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя (например, для диода lN9l4r типа 1N914 это значение составляет

-70 В). Во всех схемах семейства цифровых логических КМОП-схем используются входные диодные ограничители. Они предохраняют эти чувствительные схемы от

1,0 кОИ

Рис. 1.79.

разрушения под действием разрядов статического электричества

Упражнение 1.29. Разработайте схему симметричного ограничителя, задающего диапазон изменения сигнала от-5,6 до +5,6 В.

Эталонное опорное напряжение можно подавать на ограничитель от делителя напряжения (рис. 1.80). Если делитель напряжения

Выходной

Входной , 1

1,0 кОм

Выходной сигнал

-+15 В

667 0W

+5В

Рнс. 1.80.

Рис. 1.81.

заменить его эквивалентной схемой, то исходная схема преобразуется к виду, представленному на рис. 1.81. Анализируя преобразованную схему, можно заключить, что импеданс со стороны выхода делителя напряжения (/?дел) должен быть мал по сравнению с сопротивлением

!,(3 ком Вход-CZ]-2

икс

-Выход

667 Он

т

+ 5,6 В

Рис. 1.82.

Рис 1.83,

R, Когда диод открыт (входное напряжение превышает напряж^ение ограничения), выходное напряжение совпадает с напряжением, снимаемым с делителя, при этом нижнее плечо делителя представлено эк-вивалентньш сопротивлением (рис. 1.82). Следовательно, для указан-

ных параметров схемы выходное напряжение для треугольного входного сигнала будет иметь вид, показанный на рис. 1.83. Затруднение здесь возникает в связи с тем, что делитель напряжения не обеспечивает жесткофиксированного значения эталонного напряжения. Хорошо зафиксированный опорный эталонный сигнал не плывет , а это значит, что источник такого напряжения обладает небольшим импедансом (имеется в виду эквивалентный импе- П р - с П П

дане). tJOtr .-J-U-i-

На практике малое значение импедан-са эталонного источника обеспечивается за счет использования транзистора или операционного усилителя Такой способ, конечно, лучше, чем использование резисторов с очень малым сопротивлением. Рис. 1.84. так как он не приводит к потребленин>

больших токов и обеспечивает значения импеданса порядка нескольких ом и ниже. Следует отметить, что известны и другие схемы ограничения, в которых используются операционные усилители. Об этих схемах мы поговорим в гл. 3.

Интересным примером является использование ограничителя для восстановления сигнала по постоянному току в случае емкостной связи по переменному току. Смысл сказанного поясняет рис. 1.84. Подобные приемы необходимо использовать в схемах, входы которых работают аналогично диодам (например, это могут быть транзисторы с заземленным эмиттером), в противном случае при наличии емкостной связи сигнал просто пропадет.

Двустороннай ограничитель. Еще один ограничитель показан на рис. 1.85 Эта схема ограничивает размах выходного сигнала и делает его равным падению напряжения на диоде, т. е. приблизительно 0,6 В. Может показаться, что это - очень

Вход-I-I--Выход малое значение, но если следуюнхим каскадом схемы является усилитель с большим коэффициентом усиления по напряжению, то входной сигнал для него всегда должен быть немногим больше чем О В, иначе усилитель попадает в ре-Р - l*- жим насыщения (например, если ко-

эффициент усиления каскада равен 1000, а питающее напряжение составляет ±15 В, то входной сигнал не должен превышать диапазон ±15 мВ). Описанная схема часто используется в качестве защиты на входе усилителя с большим коэффициентом усиления.

Диоды как нелинейные элементы. Мы получим достаточно хорошее приближение, если будем считать, что ток через диод пропорционален экспоненциальной функции от напряжения на нем при дан-

ной температуре (точная зависимость мелоду током и напряжением дается в разд. 2.10). В связи с этим диод можно использовать для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму тока (рис. 1.86). Поскольку напряжение U лишь незначительно отклоняется от значения 0,6 В (под воздействием колебаний входного тока), входной ток можно задавать с помощью резистора, при условии что входное напря-

Фжение значительно превышает падение напряжения на диоде (рис. 1.87).

t/ K-0,6 В

ВЫХ

Рис. 1.86.

Рис 1.87.

IR R ~ R

(если (/ ,>0,6В).

На практике иногда нежелательно, чтобы в выходном напряжении присутствовало смещение 0,6 В, обусловленное падением напряжения на диоде. Кроме того, желательно, чтобы схема не реагировала на изменения температуры. Эти требования позволяет удовлетворить метод диодной компенсации (рис. 1.88). Резистор Ri открывает диод Дг и создает в точке А напряжение, равное -0,6 В. Потенциал точки В близок к потенциалу земли (при этом ток строго пропорционален напряжению t/oJ. Если два одинаковых диода находятся в одинаковых температурных условиях, то напряжения на них полностью компенсируют друг друга, за исключением,

конечно, той разницы, которая обусловлена входным током, протекающим через диод Д1, и которая определяет выходное напряжение. Для этой схемы резистор Ri следует выбирать таким, чтобы ток

через диод Да был значительно больше максимального входного тока. При этом условии диод Дг будет открыт.

В главе, посвященной операционным усилителям, мы рассмотрим более совершенные схемы логарифмических преобразователей и более точные методы температурной компенсации. Они позволяют обеспечивать высокую точность преобразования -ошибка достигает всего нескольких процентов для шести и более декад из.менения входного тока. Но для того, чтобы заняться такими схемами, необходимо сначала изучить характеристики диодов, транзисторов и операционных усилителей. Настоящий раздел служит лишь предисловием к тако.му изучению.

В

-0,6 в

BulJC

-а

Рис. 1 83.

1.3L И!1дукт:!внь:е нагрузки и диодная защита

Что гроизсйдет, если разомкнуть переключатель, управляющий током через индуктивность? Индуктивность, как известно, характеризуется следующим свойством: U=L{dI/dt), а из этого следует, что ток нельзя выключить моментально, так как при этом на индуктивности появилось бы бесконечное напряжение. На самом деле напряжение иа индуктивности резко возрастает и продолжает увеличиваться до тех пор, пока не появится ток. 5 Электронные устройства, ко- торые управляют индуктив- /)j ными нагрузками, могут не выдержать такого роста напряжения, особенно это отно- ] I .

сится к компонентам, в кото- с'л Хгамкн j( pvipa3-<

рых при некоторых значени- oj 1!. 4 мыкаиии)

ях напряжения наступает / пробой . Рассмотрим схему, v:

представленную на рис. 1.89. В исходном состоянии пере- Рис. 1.89. Рис. 1.90.

ключатель замкнут и через

индуктивность (в качестве которой может выступать, например, обмотка реле) протекает ток. Когда переключатель разомкнут, индуктивность стремится обеспечить ток между точками А к В, протекающий в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Это значит, что потенциал точки В становится более положительным, чем потенциал точки А. В нашем случае разница потенциалов может достичь 1000 В, прежде чем в переключателе возникнет электрическая дуга, которая и замкнет цепь. При этом укорачивается срок службы переключателя и возникают импульсные наводки, которые могут оказывать влияние на работу близлежащих схем. Если представить себе, что в качестве переключателя используется транзистор, то срок службы такого переключателя не укорачивается, а просто становится равным нулю!

Чтобы избежать подобных неприятностей, лучше всего подключить к индуктивности диод, как показано на рис. 1.90. Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении (за счет падения напряжения постоянного тока на обмотке катушки индуктивности). При размыкании переключателя диод открывается и потенциал контакта переключателя становится выше потенциала положительного питающего напряжения на величину падения напряжения на диоде. Диод нужно подобрать так, чтобы он выдерживал начальный ток, равный току, протекающему в установившемся режиме через индуктивность; подойдет, например, диод типа 1N4004.

Единственным недостатком описанной схемы является то, что она затягивает затухание тока, протекающего через катушку, так как скорость изменения этого тока пропорциональна напряжению на ни-

78 * Глава I

дуктивности. В тех случаях, когда ток должен затухать быстро (например, быстродействующие контактные печатающие устройства, быстродействующие реле и т. п.), лучший результат можно получить, если к катушке индуктивности подключить резистор, подобрав его так, чтобы величина tJu+IR не превышала максимального допустимого напряжения на переключателе. (Самое быстрое затухание для данного максимального напряжения можно получить, если подключить к индуктивности зенеровский диод, который обеспечивает затухание по линейному, а не по экспоненциальному закону.)

100 Ои Диодную защиту нельзя использовать для схем

переменного тока, содержащих индуктивности (транс-

-j-0,Q5mk<J> форматоры, реле переменного тока), так как диод

будет открыт на тех полупериодах сигнала, когда пе- реключатель замкнут. В подобных случаях рекомен-

Рнс. 1.91. дуется использовать так называемую 7?С-демпфи-

рующую цепочку (рис. 1.91). Приведенные на схеме значения R и С являются типовыми для небольших индуктивных нагрузок, подключаемых к силовым линиям переменного тока. Демпфер такого типа следует предусматривать во всех приборах, работающих от напряжений силовых линий переменного тока, так как трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку. Для защиты можно также использовать такой элемент, как металлоксидный варистор. Он представляет собой недорогой элемент, похожий по внешнему виду на керамический конденсатор, а по электрическим характеристикам - на двунаправленный зенеровский диод. Его можно использовать в диапазоне напряжений от 10 до 1000 В для значений токов, достигающих тысяч ампер (см. разд. 5.10 и табл. 5.2). Подключение варистора к внешним выводам схемы позволяет не только предотвратить индуктивные наводки на близлежащие приборы, но также погасить большие всплески сигнала, возникающие иногда в силовой линии и представляющие серьезную угрозу для оборудования.

ДРУГИЕ ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЬ{

В последующих разделах представлены разнообразные компоненты, находящие широкое применение при разработке электронных схем. Те, кто уже имеет опыт разработок, могут безболезненно перейти к следующей главе.

1.32. Электромеханические элементы

Переключатели. Переключатели имеются в схемах почти всегда. Несмотря на свою простоту, они играют существенную роль в электронной технике и вполне заслуживают того, чтобы им было посвящено несколько параграфов в нашей книге. На рис. 1.92 показано несколько распространенных типов переключателей.

Тумблеры. В зависимости от числа полюсов или подвижных контактов тумблеры бывают нескольких типов. Наиболее распространены одно- и двухпозиционные тумблеры, показанные на рис. 1.93. Промышленность выпускает также трехпозиционные тумблеры, среднее положение которых соответствует состоянию выключено ; они могут переключат одновременно до четырех контактных групп. Тумблерные

Тумблер' Рис. 1.92.

1?Н0П0ЧНЬ1Й

леревлючатпепь

Повороптьм лереключатель

переключатели работают по принципу разомкнут-замкнут , это значит, что подвижный контакт никогда не замыкает оба вывода переключателя одновременно.

Однополюсный

однопозии,ион-

ный

Рис 1.93,

Однополюсный двухпозиционный о-

> Двухполюсный

двцхпозицион

ный

;т о нО

Кнопочные переключатели. Кнопочные переключатели полезны в тех случаях, когда требуется обеспечить мгновенный контакт; их схематическое изображение представлено на рис. 1.94 (кнопочные выключатели бывают двух типов: нормально разомкнутые (HP) и нормально замкнутые (НЗ)). В двухпо-зиционном переключателе выводы обозначают HP и НЗ, в однопозицион-ном переключателе двойное обозначение излишне. Кнопочные переключатели всегда работают по принципу разомкнут - замкнут . Электротехническая промышленность маркирует выключатели символами А, В и С, которые соответствуют однополюсному однопозиционному переключателю типа HP, однополюсному однопозиционному переключателю типа НЗ и однополюсному двухпозиционному переключателю соответственно

1) Отечественные переключатели маркируются в соответствии с установленными ТУ,- Прим, перев.

Рис. 1.94.

Т

Поворотные переключатела. Существующие поворотные переключатели очень разнообразны по своей конструкции; они имеют различное число полюсов (ламелей) и рассчитаны на большое число позиций. Поворотные переключатели могут быть замыкающими (работают по пршщнпу замкнут - разомкнут ) н незамыкающими (работают по принципу разомкнут - замкнут ), причем очень часто эти два типа сочетаются в одном переключателе. Замыкающие переключатели используют в тех случаях, когда схема в промежуточном положении переключателя должна представлять собой замкнутый контур, при наличии разомкнутых входов состояние схемы непредсказуемо. Незамыкающие переключатели используют, например, для подключения нескольких шин к одной общей, при этом не допускается соединения отдельных Шин между собой.

Другие типы переключателей. Помимо основных типов переключателей, перечисленных выше, промышленность выпускает и некоторые специальные переключатели, например переключатели, npiur-цип действия которых осиован на эффекте Холла, магнитоуправляемые реле, язычковые переключатели и др. Все переключатели характеризуются предельными значениями токов и напряжений; для небольшого тумблерного пе еключателя предельное значение напряжения составляет 150 В, а тредельное значение тока - 5 А. Если переключатель

работает с индуктивной нагрузкой, то его срок службы резко сокращается в связи с тем, что в момент отключения нагрузки в выключателе возникает дуговой разряд.

Левая °/ дверца У

Рис. 1.95.

Сиденье

/ Правая Л дверца

Примеры схем с переключателями.

Рассмотрим такую задачу: предупредительный звонок должен включаться при условии, что водитель сел за руль машины, а одна из дверц открыта. К дверцам машины и к сиденью водителя подключены переключатели типа HP. На рис. 1.95 показана схема, с помощью которой можно решить поставленную задачу. Если открыта одна ИЛИ другая дверца И замкнут переключатель, связанный с сиденьем, то включается звонок. Союзы ИЛИ, И имеют здесь смысл операций булевой логики. К этому примеру мы еще вернемся в гл. 2 и в гл. 8, когда будем рассматривать транзисторы и цифровые логические схе.мы.

На рис. 1.96 показана классическая схема с выключателем, которая используется для включения и выключения света в комнате с помощью выключателей, установленных у двух дверей комнаты.

Реле. Реле - это управляемые переключатели. Простейшее реле состоит из катушки и сердечника - катушка втягивает сердечник,