CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 141
1966
ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР
В. К- ЖУКОВ
(Представлена научным семинаром факультета автоматики и вычислительной техники)
Измерение малых приращений емкостей и индуктивностей можно производить с высокой точностью генераторными схемами, используя метод автоматического замещения [3], сущность которого заключается в поочередном подключении контролируемой и эталонной индуктивностей (или емкостей) к измерительному генератору- Реализация этого метода возможна при наличии коммутатора, удовлетворяющего следующим условиям: так как переключение производится в потенциальных цепях генератора (по напряжению высокой частоты), ключ коммутатора должен быть слабо связан с точками нулевого потенциала, то есть должен иметь большое активное и реактивное сопротивление связи с «землей» генератора на частотах в десятки мегагерц; прямое сопротивление ключа коммутатора оказывается включенным последовательно в колебательный контур генератора, поэтому, чтобы не вносить в него значительное затухание, это сопротивление должно быть малым; для надежного отключения коммутируемого элемента обратное сопротивление ключа должно быть большим. Этим требованиям лучше всего будет удовлетворять электромеханический коммутатор на базе электродвигателя. Однако он имеет низкую частоту переключения, большие габариты и ненадежен в работе.
Описываемая схема электронного коммутатора (рис. 1) свободна от указанных недостатков и в то же время удовлетворяет перечисленным выше требованиям, предъявляемым к коммутатору.
В качестве ключей коммутатора используются точечные полупроводниковые диоды Д] и Да, имеющие малое дифференциальное сопротивление в открытом состоянии. Из диодов, выпускаемых отечественной промышленностью, в этом отношении лучшими являются диоды Д11 и Д13. На рис. 2 представлены вольтамперные характеристики отобранных диодов типа Д13 при температуре 20°С и 60°С. При постоянном токе через диоды 50 ма и Г=20°С они имеют дифференциальное сопротивление менее 2 ом. Изменение температуры на 40°С вызывает уменьшение сопротивления гпр.х диода Д1 на (0,12) ом, а сопротивле-122
>Н-1 ^ Л Г, лт ч!^
Рис. 1. Принципиальная схема коммутатора.
1,мО
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики диодов: А — при 20°С, В — при 60°С.
ния /*Пр-2 диода Д2 на (0,11) ом, разность же /*пр<1 - гпр.2 изменяется не более чем на 0,01 ом. Последнее обстоятельство особенно важно в данном случае, так как оно означает, что температурные зависимости диодов будут слабо влиять на разность частот пакетов, вырабатываемых генератором. В закрытом состоянии диод представляет большое активное сопротивление, за-шунтированное емкостью р—п-перехода, которая для диодов Д13 не превышает 1 пф.
Коммутирующие диоды включены в коллекторные цепи триггера. Когда триод ПТ* открыт, к диоду Д[ приложено напряжение в прямом направлении, поэтому он также находится в открытом состоянии. Индуктивность Ь1 через малое сопротивление открытого диода подключается к контуру генератора. В это время другой триод ПТ2 находится в закрытом состоянии и на диод Д2 подается запирающее напряжение. Индуктивность ¿2 подключается к контуру генератора через большое сопротивление закрытого диода, поэтому оно практически не влияет на частоту генератора.
Для получения напряжения запирающих диоды используются сопротивления /?к0 и . Когда один триод открыт, например ПТЬ а другой закрыт, падение напряжения на сопротивлении /?к0, создаваемое коллекторным током открытого триода, превышает падение напряжения на сопротивлении /?К1 > вызванное током базы открытого триода. В результате диод Д2 оказывается запертым. Открывание триода ПТ2 и закрывание ПТЬ сопровождается, соответственно, отпиранием Д2 и запиранием Дь Высокочастотный дроссель Ор служит для развязки цепей генератора и триггера с целью исключения влияния последнего на частоту генерируемых колебаний. Чтобы цепь открытого ключа не шунтировала источник запирающего напряжения закрытого ключа, используются конденсаторы С1 и С2.
Для получения основных расчетных соотношений рассмотрим эквивалентную схему триггера, представленную на рис. 3. Предположим, что триод ПТ1 открыт, а ПТ2 закрыт. Для получения стабильного режима работы триггера необходимо • добиваться состояния насыщения открытого триода. Потенциалы коллектора и базы насыщенного триода мало отличаются от потенциала эмиттера, поэтому триод можно рассматривать как точку с единым потенциалом всех электродов. Закрытый триод заменен двумя генераторами тока 1'к0 и . В [1] показано, что ток базы закрытого триода /б = /ко , где /к0 температурный ток коллекторного перехода-
Триод ПТ2 будет надежно заперт при условии, если потенциал базы положителен относительно эмиттера, т. е. £/бз > 0. Полагая и из эквивалентной схемы триггера можно получить
Рис. 3. Эквивалентная схема коммутатора.
Коллекторный ток триода в режиме насыщения
где через /?кэ обозначено эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки, равное
„ (/?к + #ко)/?к1
Акэ —--• {О)
Прямое сопротивление диода гпр <
к, поэтому оно не учитывается
при определении Як.э-
Из выражения (1) с учетом (2) находим
Г Т г г, г-ч Ек * /?э-До • /?б(/?э + /?кэ) /
¿Л>2 ^ = К -"Г-—--. (4)
Нэ ~Г Дк.э
Для выполнения условия ¿Уб2 > 0 необходимо, чтобы числитель выражения (4) был больше нуля, откуда получаем условие запирания триода
п ^ / г" \
Кэ > -— . (о)
Ек — /ко*/?
Открытый триод будет находиться в состоянии насыщения в случае, если его базовый ток
/б>-Ё1-. (6)
(^кэ + Яэ)
Из эквивалентной схемы триггера следует
(/кг + /бО + /?'//?! + /?К1(/Н1 + /'ко) - (7)
и
/ / I (/к1 +
= /61 -1---- • (о)
Нб
Полагая /К1>/б1 и /К1=р./б1 из уравнений (7) и (8) после преобразований получаем
/б1 = г^гл+ж; • (9)
Триод будет находиться в режиме насыщения, если полученное выражение для /б превышает величину + ¿?кэ), что выполняется, когда
Я «Мк.э —/?К1. (10)
Это и будет условие насыщения открытого триода.
В момент опрокидывания триггера оба коммутирующих диода открыты. Напряжение на конденсаторе Ск во время регенеративной стадии не успевает измениться, поэтому эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки каждого триода равно
Я'кэ = Дк|| Я к, = - • (11)
Нк + Ак1
Величина меньше /?к.э, определяемого выражением (3), в силу чего выполнение условий надежного запирания закрытого триода (5) 124
и насыщения открытого (10) может оказаться недостаточным для обеспечения неустойчивого состояния триггера, когда оба триода работают в активной области характеристик. Чтобы этого не случилось необходимо обеспечить коэффициент усиления схемы по току „К" больше 1 (триггер состоит из 2-х каскадного усилителя, выход ко-
ч ЛЛ ' Р-/?к||/?к1
торого соединен со входом). Можно показать, что к =-——
Я + Лк||/?к1
откуда неустойчивость состояний, соответствующих активной области триодов, будет иметь место при Я < 3*/?к||/?кь
Выражение (13) дает несколько меньшую величину для Я, чем выражение (10), поэтому в расчете необходимо пользоваться формулой (13).
Выше отмечалось, что когда один из коммутирующих диодов открыт, на другой должно подаваться запирающее напряжение. Это требование выполняется обеспечением определенного соотношения между сопротивлениями/?ко и /?К) > при котором /л-/?ко > (для
состояния схемы, изображенного на рис. 3). Используя выражение (2) и зависимость /б1 —, где 5 — коэффициент насыщения триода, последнее неравенство можно преобразовать к виду
р-Яко> £.(/?ко + Як) + 5-Яки (14)
Сопротивление ко+^к находится из условия обеспечения максимально-допустимого тока через открытый диод при заданном напряжении что делается с целью получения малого прямого сопротивления диода. Величина сопротивления/?К1 должна быть значительно больше Як0 + > так как в противном случае значительная часть коллекторного тока открытого триода ответвляется в /?К1 > а если учесть, что ток через диод должен быть значительным (50-Т-70) ма, то становится ясным, что уменьшение/?^ ведет к большим коллекторным токам и к необходимости использовать мощные триоды. Однако слишком большая величина /?К1 также нежелательна, потому что для выполнения условия запирания диодов (14) потребуется увеличивать что при неизменном токе через открытый диод связано с увеличением /Гк. Можно рекомендовать значения У?к, равное (5 -ь- 10)-(/?ко +/?к).
Если обозначить /?К1 =/С(/?ко-(-/?к), то условие (14) можно записать как
Яко>5 (/?к0 + /?к), (15)
о
С помощью последнего выражения, задавшись величиной коэффициента насыщения 5 и величиной /(=5-МО, предварительно определив /?к0 + = £к//д , можно легко найти /?ко, Як, /?к1 соответствующие устойчивой работе триггера и обеспечивающие подачу запирающего напряжения на диоды.
Описанная схема коммутатора была применена для коммутации датчиков в приборе для измерения диаметра тонких проволок. Испытания показали, что она успешно может использоваться для переключения элементов контура в генераторе.
ЛИТЕРАТУРА
1. С. М. Герасимов, И. Н. Никулин, В. Н. Яковлев. Расчет полупроводниковых усилителей и генераторов. Гостехиздат, УССР, 1961.
2. Б. Н. К о н о н о в. Симметричные триггеры на плоскостных полупроводниковых триодах. Госэнергоиздат, 1960.
3. В. К. Жуков, В. Э. Дрейзин, М. С. Ройтман, И. Г. Лещенко. Измерительные схемы для контроля диаметра тонких проволок методом вихревых токов (статья печатается в настоящем сборнике).
