ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1999 года по МПК H03K3/30 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления.

Известен генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР N 450322 от 02.12.72, МКИ: H 03 K 3/30, Двухтактный генератор прямоугольных импульсов. В.С. Моин, опубл. 15.11.74, Бюл. N 42), содержащий транзисторы, база-эмиттерные переходы которых зашунтированы диодами, с выходным трансформатором, имеющим обмотку обратной связи с отводом, зашунтированную резистивно-емкостной цепочкой. База одного транзистора соединена с общей точкой соединения резистора и конденсатора резистивно-емкостной цепочки, а база другого транзистора - с отводом обмотки обратной связи через вновь введенный резистор.

Частота известного генератора задается конденсатором резистивно-емкостной цепочки. Трансформатор используется для организации цепей обратной связи и формирования выходных сигналов. Входная обмотка разделена на две части и включена в коллекторные цепи транзисторов. Коллекторная обмотка каждого из транзисторов содержит небольшую часть суммарного числа витков трансформатора, что определяет малую индуктивность коллекторной обмотки, а следовательно, и большую скорость нарастания тока коллектора. Увеличению скорости нарастания тока способствует также подача на входную обмотку большого напряжения.

Недостатками известного генератора являются большое собственное потребление, а также большая величина тока открытого транзистора и повышение напряжения на коллекторе закрытого транзистора до величины удвоенного напряжения питания, что приводит к ужесточению режима работы транзисторов и повышает вероятность их отказа.

Известен генератор импульсов (см. книгу: Уитсон Дж. 500 практических схем на ИС. Пер. с англ. - М.: Мир, 1992, с.152, рис. 3.11), являющийся прототипом, содержащий магнитный элемент в виде трансформатора со входной и выходной обмотками и два инвертора на комплементарных МОП транзисторах, вход каждого из инверторов соединен с выходом другого, между выходами инверторов включена входная обмотка трансформатора, цепи питания инверторов через резистор подключены к шине питания.

Моменты переключения данного генератора определяются насыщением сердечника трансформатора, когда резко увеличивается ток потребления, протекающий через входную обмотку трансформатора и открытые транзисторы инверторов, и происходит подсадка напряжения питания инверторов за счет падения напряжения на резисторе.

Подсадка напряжения питания вызывает формирование помех на выходах инверторов, что затрудняет подключение нагрузки и вызывает необходимость организации выходной обмотки и уменьшения числа витков входной обмотки.

В составе трансформатора целесообразно использовать сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющий повысить стабильность частоты при изменении тока нагрузки и уменьшить потери мощности на переключение в транзисторах (см. книгу: Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/ Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988, с. 142).

Основным недостатком прототипа является высокая частота формируемых импульсов вследствие малой индуктивности входной обмотки трансформатора, определяемой числом ее витков, и большой величины напряжения на входной обмотке, равной напряжению питания.

Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание генератора импульсов, обладающего низкой частотой выходных импульсов, без увеличения размеров сердечника.

Технический результат, заключающийся в уменьшении частоты генерируемых импульсов, достигается тем, что в генератор импульсов, содержащий два инвертора, выход первого из которых соединен со входом второго инвертора и с первым выводом магнитного элемента, и первый резистор, первый вывод которого соединен с шиной питания, введены второй и третий резисторы, два элемента "исключающее ИЛИ" и два транзистора разного типа проводимости, эмиттеры которых соединены с первым выводом магнитного элемента, базы - со вторым выводом магнитного элемента и через второй резистор - с выходом второго инвертора, коллектор первого транзистора соединен со вторым выводом первого резистора и с первым входом первого элемента "исключающее ИЛИ", второй вход которого соединен с коллектором второго транзистора и через третий резистор - с общей шиной, а выход - с первым входом второго элемента "исключающее ИЛИ", второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, а выход - непосредственно или через вновь введенную интегрирующую RC-цепь со входом первого инвертора, причем первый инвертор выполнен в виде триггера Шмитта с инверсией входного сигнала, а магнитный элемент - в виде дросселя на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса.

Указанная совокупность признаков позволяет уменьшить частоту генерируемых импульсов за счет максимального увеличения числа витков входной обмотки магнитного элемента и уменьшения напряжения на входной обмотке в режиме перемагничивания сердечника.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема генератора импульсов.

Генератор импульсов содержит первый 1 и второй 2 инверторы, первый 3 и второй 4 элементы "исключающее ИЛИ", первый 5 и второй 6 транзисторы, дроссель 7, первый 8, второй 9 и третий 10 резисторы, интегрирующую RC-цепь 11, шину 12 питания, общую шину 13.

Выход инвертора 1 соединен с первым выводом дросселя 7, эмиттерами транзисторов 5 и 6 и со входом инвертора 2, выход которого через резистор 9 соединен со вторым выводом дросселя 7 и с базами транзисторов 5 и 6. Первый вход элемента 3 "исключающее ИЛИ" соединен с коллектором транзистора 5 и через резистор 8 - с шиной 12, второй вход - с коллектором транзистора 6 и через резистор 10 с шиной 13, а выход - с первым входом элемента 4 "исключающее ИЛИ", второй вход которого соединен с выходом инвертора 2, а выход через интегрирующую RC-цепь 11 или непосредственно - со входом инвертора 1. Цепи питания инверторов 1, 2 и элементов 3, 4 "исключающее ИЛИ" соединены с шиной 12 (на фигуре не показано).

Генератор импульсов работает следующим образом.

При включении питания инвертор 1 устанавливается в состояние логической "1" разряженным конденсатором интегрирующей RC-цепи 11; инвертор 2 устанавливается в состояние логического "0". Через резистор 9 и дроссель 7 начинает протекать ток, перемагничивающий сердечник дросселя 7. Напряжение на дросселе 7 ограничивается база-эмиттерным переходом транзистора 6, который открывается током резистора 9. Транзистор 5 закрыт. На обоих входах элемента 3 "исключающее ИЛИ" устанавливается уровень логической "1", поддерживающий элементы 3 и 4 "исключающее ИЛИ" в состоянии логического "0", а конденсатор интегрирующей RC-цепи в разряженном состоянии.

После перемагничивания сердечника дросселя 7 падение напряжения на нем уменьшается и вызывает закрывание транзистора 6. Элементы 3 и 4 переключаются в состояние логической "1". Конденсатор интегрирующей RC-цепи 11 заряжается до порога срабатывания инвертора 1. Инвертор 1 переключается в состояние логического "0", а инвертор 2 - в состояние логической "1". При этом на выходе элемента 4 устанавливается уровень логического "0", вызывающий разряд конденсатора интегрирующей RC-цепи 11.

Одновременно дроссель 7 начинает перемагничиваться током резистора 9. Падение напряжения на дросселе 7 ограничивается база-эмиттерным переходом транзистора 5, который открывается током резистора 9. Уровень логического "0" устанавливается на обоих входах и на выходе элемента 3. На выходе элемента 4 восстанавливается уровень логической "1". За время действия помехи отрицательной относительно уровня логической "1" полярности на выходе элемента 4 конденсатор интегрирующей RC-цепи 11 не успевает разрядиться до порога отпускания инвертора 1, поэтому его состояние во время действия помехи но изменяется. Длительность импульса помехи невелика, определяется задержкой открывания транзистора 5 и срабатывания элемента 3 и может погаситься элементом 4 и инвертором 1 без установки интегрирующей RC-цепи 11.

После перемагничивания дросселя 7 транзистор 5 закрывается и генератор переключается аналогичным образом. При этом на выходе элемента 4 формируется кратковременный импульс помехи положительной полярности.

Формулу для определения зависимости частоты генерируемых импульсов от числа W витков входной обмотки магнитного элемента и от напряжения U на обмотке можно представить в виде f = U/KW, где K - коэффициент, зависящий от характеристик сердечника (см. книгу: Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/ Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988, с. 142).

Поскольку число витков обмотки дросселя равно общему числу витков W₀, а число витков входной обмотки трансформатора прототипа приблизительно равно половине общего числа витков W₀/2, то принимая падение напряжения на базе-эмиттерном переходе открытого транзистора равным 0,7 В, а напряжение питания равным 7 В, получим частоту прототипа равную 14/KW₀, а частоту заявляемого генератора - 0,7/KW₀. Следовательно, частота заявляемого генератора в 20 раз меньше частоты прототипа.

Одновременно в заявляемом генераторе по сравнению с прототипом исключена зависимость частоты от напряжения питания и ограничена амплитуда бросков тока при насыщении сердечника магнитного элемента, что позволило уменьшить потребление и исключить формирование помех на выходах инверторов и на цепях питания, а также перегрузку по току транзисторов инверторов.

Изготовлен лабораторный макет генератора импульсов, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого объекта.

В генераторе импульсов выход инвертора (1) соединен с первым выводом дросселя (7), эмиттерами транзисторов (5) и (6) и входом инвертора (2), выход которого через резистор (9) соединен с вторым выводом дросселя (7) и с базами транзисторов (5) и (6). Первый вход элемента (3) ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с коллектором транзистора (5) и через резистор (8) - с шиной (12), второй вход - с коллектором транзистора (6) и через резистор (10) - с шиной (13), а выход - с первым входом элемента (4) ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом инвертора (2), а выход через интегрирующую RC-цепь (11) - с входом инвертора (1). Технический результат: исключена зависимость частоты от напряжения питания и ограничена амплитуда бросков тока при насыщении сердечника магнитного элемента, что позволило уменьшить потребление и исключить формирование помех на выходах инверторов и на цепях питания, а также перегрузку по току транзисторов инверторов. 1 ил.

Генератор импульсов, содержащий два инвертора, выход первого из которых соединен со входом второго инвертора и с первым выводом магнитного элемента, и первый резистор, первый вывод которого соединен с шиной питания, отличающийся тем, что введены второй и третий резисторы, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и два транзистора разного типа проводимости, эмиттеры которых соединены с первым выводом магнитного элемента, базы - со вторым выводом магнитного элемента и через второй резистор - с выходом второго инвертора, коллектор первого транзистора соединен со вторым выводом резистора и с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с коллектором второго транзистора и через третий резистор - с общей шиной, а выход - с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, а выход - непосредственно или через вновь введенную интегрирующую RC - цепь со входом первого инвертора, причем первый инвертор выполнен в виде триггера Шмитта с инверсией входного сигнала, а магнитный элемент - в виде дросселя на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса.