Понятие о переходных процессах. Электрические цепи реальных радиотехнических схем обычно содержат сопротивления, индуктивности и емкости. В таких цепях связь между напряжением и током имеет сложный характер. Объясняется это тем, что емкость и индуктивность обладают способностью накапливать и отдавать электроэнергию. Этот процесс не может протекать скачкообразно. При изменении напряжения в такой цепи ток изменяется с некоторой задержкой во времени. Эти процессы, связанные с изменением запаса энергии в цепях с реактивными элементами при воздействии импульса, называются переходными.
Действие импульсного напряжения на цепь RС. Предположим, что на входе цеди, содержащей конденсатор С и резистор R (рис, 164, а), действует последовательность прямоугольных импульсов (pиc. 154,б). В момент появления на входе RC цепи переднего фронта импульса в ней потечет наибольший ток Im =Um /R (рис, 154,в).
По мере заряда конденсатора результирующее напряжение в схеме up=Um—uc уменьшается, соответственно уменьшается зарядный ток ta. Уменьшение тока происходит по экспоненциальному закону, Ток заряда iз создает на резисторе R падение напряжения (рис. 154, г). С уменьшением тока экспоненциально снижается напряжение на резисторе R. Напряжение на конденсаторе uc по мере
Рис. 154. Воздействие прямоугольного импульса на дифференцирующую цепь: а — схема, б — форма импульса на входе, в —форма тока в цепи, г —форма напряжении на резисторе, д — то же, на конденсатора,е —форма импульса на выходе при τ0≥tи, ж — то же при τ0≤ tи |
его заряда экспоненциально возрастает (рис. 154, д) и к некоторому моменту достигает наибольшего значении Um после чего остается постоянным на все время действия плоской вершины входного импульса. Время, в течение которого напряженно на С и R достигает амплитудного значении, зависит от величины сопротивления резистора R и емкости конденсатора С. Чем меньше эти величины, тем быстрее заканчивается переходный процесс.
После спада входного импульса конденсатор разряжается через резистор R. Скорость изменения разрядного тока ip (рис. 164, в) и напряжения un (рис. 154, г) такая же, как и при заряде, а на выходе формируется задний фронт (спад) импульса. Направление тока и полярность напряжения на резисторе в этом случае станут противоположными.
Оценку длительности переходного процесса ведут с помощью постоянной времени цепи
Рис. 155. Воздействие прямоугольного импульса на интегрирующую цепь:а— схема, б— форма импульса на входе, в — то же, на выходе, г — зависимость формы импульса от соотношения τ0/tи
С увеличением τ0 длительность переходных процессов возрастает.
Практически переходные процессы в схеме закапчиваются по истечении промежутка времени t = (2,3+3)τ0.
Форма выходного напряжении зависит от значения τ0 (рис. 154, г, е, ж). При τ0»tи (рис. 154,е) конденсатор за время действия входного импульса не успевает зарядиться, и форма выходного сигнала лишь незначительно отличает-ся от формы входного. С такими параметрами (τ0»tи) цепь часто используют в схемах импульсных устройств как разделительную (переходную) между усилительными каскадами. При τ0<tи заряд и разряд конденсатора происходят за время, немного меньшее длительности импульса, поэтому выходное напряженно имеет вид двух узких разнополярных импульсов (рис. 164, ж).
Как очевидно из рис. 164, а, цепи из элементов RC в различных комбинациях могут быть использованы для преобразования формы импульсов. В зависимости от того, с какого элемента снимается сигнал (с R или С), цепь называют дифференцирующей или интегрирующей.
Дифференцирующие цепи. Цепь, показанная на рис. 154, а называется дифференцирующей, поскольку при τ0<tи выходное напряжение пропорционально производной от входного и служит для получения кратковременных остроконечных импульсов напряжения, часто используемых для запуска формирующих устройств. Чем меньше τ0, тем больше скорость изменения напряжения и тем острее будут импульсы напряжения на выходе дифференцирующей цепи.
На работу дифференцирующей цепи существенно влияет входная (паразитная) емкость Сп последующей цепи, которая вызывает уменьшение амплитуды выходного напряжения Uвых. Чтобы уменьшить влияние Сп на выходной сигнал, выбирают емкость цепи C≥(5-10) Сп.
Пример. Длительность импульса tи=5 мкс. Рассчитать элементы дифференцирующей цепи.
В дифференцирующей цепи τ0≪tи. Примем τ0=RС=0,1 tи=0,1x5=0,5 мкс, т. е, tи ≫3τ0. Задаемся величиной R=10 кОм, тогда емкость
Интегрирующие цепи. Если в цепи RC выходное напряжение снимается с емкости (рис. 155, а), то при τ0≫tи выходной сигнал пропорционален интегралу от входного, и такая цепь называется интегрирующей. Если постоянная времени RC цепи выбрана равной или больше длительности прямоугольного импульса (рис. 155,б) напряжения на входе (τ0≫tи), то на выходе RC цепи возникает импульс с растянутым фронтом и спадом (рис. 155, в). При воздействии на вход такой цепи кратковременного импульса напряжения на выходе образуется более широкий импульс.
Рис. 156. Цепи на RL элементах:а —дифференцирующая, б — интегрирующа |
Интегрирующие цепи применяют для увеличения длительности импульса. Кроме того, их используют в схемах генерирования пилообразного напряжения, селекции импульсов по длительности и т.д. Чем больше то при неизменной длительности входного импульса tи, тем больше растянут импульс на выходе (рис. 155, г). Амплитуда импульса при этом уменьшается, так как конденсатор не успевает полностью зарядиться за время действия входного импульса.
Дифференцирование и интегрирование может также осуществляться с помощью цепей RL. Поскольку реактивное действие индуктивности противоположно емкости, то в RL-цепях при дифференцировании выходной сигнал снимается с индуктивности (рис. 156, а), а при интегрировании — с резистора (рис. 156, б). Цепи RL применяют сравнительно редко, так как они содержат дорогую моточную деталь.
Читайте также: Параметры периодической последовательности импульсов