Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 3.

Кухтецкий С.В., [email protected]

Данная статья завершает цикл статей, посвященных недорогим модульным конструкциям лабораторных инверторов. На основе силового модуля, описанного в первом разделе данной статьи, и дополнительных модулей, описанных ранее, собрано несколько конструкций лабораторных инверторов, различающихся способом регулировки мощности и подстройки рабочей частоты инвертора (в том числе и автоматической). Каждый вариант представляет собой законченное устройство, которое может быть использовано для решения лабораторных задач, связанных с индукционным нагревом, генерацией неравновесной плазмы, ультразвука и т.п..
Как и в предыдущих статьях, приводится вся необходимая информация для самостоятельного изготовления модулей в непрофильной лаборатории: полные схемы, печатные платы, прошивки, исходные тексты программ, рекомендации по изготовлению и настройке.
 

Введение

Особенность многих исследовательских лабораторных задач – их скоротечность и специфичность. После завершения цикла исследований старое оборудование довольно трудно (а часто — просто невозможно) адаптировать к новой задаче. Покупка нового оборудования под каждое исследование не всегда оправдана из финансовых соображений. Поэтому универсальность лабораторного оборудования – одно из важнейших требований, определяющих его качество.

Опыт разработки универсального лабораторного инвертора показывает, что его создание представляет собой весьма сложную инженерную задачу, а само устройство становится слишком дорогим. Поэтому оптимальным решением является разработка модульной конструкции лабораторного инвертора, позволяющая разрешить противоречия между гибкостью, универсальностью, эффективностью и ценой за счет взаимозаменяемости модулей и постепенного наращивания функциональных возможностей прибора.

Не менее важным является еще один критерий качества. Современное лабораторное оборудование должно быть не только «интеллектуальным» само по себе, но и иметь возможность включаться в информационные сети. Это необходимо для автоматизации управления, сбора данных и интеграции устройства в более крупные функциональные блоки. Хорошим решением здесь является системное использование микроконтроллеров в узлах лабораторного оборудования.

Исходя из этих критериев, был разработан набор электронных модулей для быстрой сборки лабораторных инверторов, предназначенных для решения широкого класса экспериментальных задач физико-химического профиля.

Важнейшая особенность этих модулей, которую необходимо учесть при разработке, это резонансный характер нагрузок, с которыми придется иметь дело лабораторному инвертору. Для задач индукционного нагрева – это индуктор с компенсирующим конденсатором. Для ультразвуковых приложений – это ультразвуковые преобразователи, имеющие электромеханическую резонансную природу. Для плазменных приложений – это резонансные трансформаторы типа трансформаторов Тесла или емкости диэлектрических барьеров с компенсирующими индуктивностями.

Поэтому главными параметрами, определяющими работу инвертора, являются два: мощность и частота. Различным способам управления этими параметрами и разработке соответствующих модулей были посвящены две отдельные статьи [3, 4]. Для удобства все статьи на эту тему помещены в единый архив, который можно найти по ссылке [8].

В данной же статье (в первой части) описан последний модуль «конструктора». Это — силовой модуль, представляющий собой полумост с транзисторными ключами и питанием от однофазной сети 220 вольт. Мощность (до нескольких кВт) и частотный диапазон (до нескольких сотен кГц, в зависимости от используемых транзисторов) ориентированы на большую часть экспериментальных задач, возникающих в лаборатории физико-химического профиля.

Во второй части статьи приведены примеры реализации конкретных инверторов. Они выполнены на базе одного и того же силового модуля и различных комбинаций управляющих модулей. Это законченные устройства, которые могут быть непосредственно использованы в эксперименте в соответствии со спецификой решаемой задачи. Описаны следующие варианты.

1. Простейший инвертор с ручной настройкой частоты на резонанс и регулировкой мощности при помощи ЛАТРа.
2. Инвертор с частотной регулировкой мощности.
3. Инвертор с ручной подстройкой частоты и PDM-регулировкой мощности.
4. Инвертор с автоматической подстройкой частоты и регулировкой мощности при помощи ЛАТРа.
5. Инвертор с автоматической подстройкой частоты и PDM-регулировкой мощности.

Необходимо подчеркнуть, что модули, задающие мощность (PDM-модулятор) и частоту инвертора (для «ручной» подстройки это синтезатор частоты) выполнены на микроконтроллерах и допускают внешнее управления по последовательному каналу от персонального компьютера или другой управляющей системы. Это дает возможность реализовывать сложное управление инверторами по произвольному количеству любых параметров установки.

Перейдем к рассмотрению конкретных систем. Начнем с силового модуля.
 

Предупреждение об опасности

Элементы конструкций, рассматриваемых в данной статье, находятся под высоким напряжением и не имеют гальванической развязки от питающей сети. Поэтому при работе с ними нужно соблюдать предельную осторожность. ВСЕ МАНИПУЛЯЦИИ с инверторами можно проводить ТОЛЬКО ПОСЛЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ И ПОЛНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ИХ ОТ СЕТИ!
 

Силовой модуль

Данный силовой модуль лежит в основе всех конструкций, рассмотренных в данной статье. По сути дела силовой модуль представляет собой не что иное, как мощный двухтактный полумостовой усилитель логических импульсов, поступающих на его вход. Логическому нулю на входе модуля соответствует низкое выходное напряжение инвертора (верхний ключ закрыт, нижний открыт), а логической единице – высокое выходное напряжение инвертора (верхний ключ открыт, нижний закрыт). Естественно, величина этого выходного напряжения зависит от напряжения питания инвертора. Помимо самих ключей, силовой модуль содержит драйверы, обеспечивающие управление ключами, цепочки формирования пауз dead-time, гальваническую развязку от цепей управления и автоматизации и токовую защиту от перегрузки. Рассмотрим схему и конструкцию силового модуля подробнее.
 

Схема

Схема силового модуля представлена на рис.1.
 

Рис.1. Схема силового модуля.

Положительные входные импульсы (ТТЛ 5В) подаются на входы PDMC+ и PDMC- гальванической развязки. Развязка выполнена на быстродействующей оптопаре 6N137 (IC1), которая обеспечивает передачу цифровых сигналов до 10 Мбит/сек. Для нашей задачи такой скорости более чем достаточно. «Обвязка» оптопары выполнена стандартно, согласно datasheet на этот чип.

D1.1 выполняет роль буфера и компенсирует инверсию сигнала, вносимого опторазвязкой. D1.2 формирует инверсный сигнал для нижнего ключа. На элементах D2.1 и D2.2 и RC-цепочках на их входах происходит задержка передних фронтов управляющих импульсов для формирования пауз dead-time. Величина пауз определяется номиналами резисторов R3, R4 и конденсаторов C2, C3. При указанных на схеме номиналах значение dead-time составляет около 500 нс.

В качестве драйвера используется достаточно распространенная микросхема IR2110, включенная по стандартной бутстрепной схеме. Выбор такого решения обусловлен широкой распространенностью и доступностью данной микросхемы. При правильном монтаже и уровне мощности до нескольких кВт она работает вполне надежно. Поэтому никакие дополнительные схемотехнические решения по увеличению надежности работы данного драйвера не применялись. Конденсатор C5 должен иметь малые токи утечки. В данной схеме использованы керамические конденсаторы (C4, C5 и C6). Диод VD1 должен быть быстрым.

«Обвязка» ключей VT1 и VT2 тоже достаточно стандартна. Резисторы R5, R6 ограничивают ток заряда/разряда затвора. Их величина зависит от используемых силовых транзисторов. С данной схемой использовались следующие транзисторы (IGBT): HGTG30N60A4D, IRGP50B60PD1 и IRGP20B60PD. Для первых двух типов номиналы этих резисторов составляли 5.1 Ом, для третьего – 10 Ом. Резисторы R7, R8 выполняют защитные функции. Конденсаторы C7, C8 и C9 играют роль простейших C-снабберов для устранения выбросов на ключах, вызванных паразитными индуктивностями цепей питания инвертора. В данных конструкциях используются IGBT со встроенными внутренними «сверхбыстрыми» диодами. Поэтому никаких дополнительных внешних диодов не требуется.

На элементах D1.3, D1.4 и транзисторе T1 выполнена быстродействующая «поцикловая» токовая защита, срабатывающая при мгновенном превышении порога током, потребляемым силовой частью модуля. Порог срабатывания защиты регулируется резистором R14. Работает защита следующим образом. Между общим проводом и минусом высоковольтного блока питания включен шунт R15, напряжение на котором пропорционально потребляемому инвертором току. Напряжение на шунте относительно общего провода отрицательное. Как только потенциал эмиттера T1 «уйдет» относительно базы в отрицательную область на величину, достаточную для открывания транзистора, на входе 5 элемента D1.3 сформируется логический 0. В результате RS-триггер, образованный элементами D1.3 и D1.4, переключится. Уровень на выходе 6 D1.3 станет высоким. Это приведет к блокировке драйвера ключей (вход SD микросхемы IC2). После устранения причины перегрузки сброс RS-триггера осуществляется при помощи кнопки «Перегрузка – сброс». Для улучшения помехоустойчивости схемы защиты желательно использовать логические элементы с триггерами Шмитта по входам (74HC132 в данном случае).
 

Конструкция

Печатную плату в виде графического файла для «утюжной» технологии можно найти в приложении к данной статье [7] в папке Pow_672. Там же есть и соответствующий lay-файл. На рис.2 показана собранная плата силового модуля с двух сторон.
 

Рис.2. Собранная плата силового модуля.

Часть элементов (C7, C8, C9, подстроечный резистор R14, светодиод «Перегрузка», кнопка сброса, клеммники питания 15В, клеммники входного сигнала и шунт R15) расположены с другой стороны платы. В качестве конструкционной основы силового модуля удобно использовать подходящий радиатор с кулером от процессоров современных персональных компьютеров. На этом же радиаторе крепятся и все остальные элементы силового модуля, показанные ниже на рис.3.
 

Рис.3. Элементы силового модуля, приготовленные к сборке.

Поликоровая пластина 30х40х0.5 мм с просверленными отверстиями (слева от диодного моста) служит для электрической изоляции силовых ключей от металлического радиатора. Она может быть заменена на пластинки слюды подходящих размеров или другие изолирующие прокладки, имеющиеся в наличии. Шунт R15 состоит из 5 резисторов 0.51 Ом 2 Вт, включенных параллельно. Если их смонтировать так, как показано на рисунках, то они окажутся в зоне обдува вентилятора и будут относительно холодные при всех рабочих режимах инвертора.

На отдельной плате смонтированы электролитические конденсаторы (обозначенные на схеме как C16), разрядный резистор R16 и сапрессор 1.5RT440CA. Эта плата крепится к радиатору с другой стороны, чем основная плата. Общий вид собранного модуля с разных ракурсов, из которых можно видеть детали компоновки, представлен на рис.4 ниже.
 

Рис.4. Вид собранного силового модуля с нескольких ракурсов.

ВНИМАНИЕ! Контакты кнопки сброса перегрузки и металлизация платы рядом с ней могут находиться под высоким напряжением. Поэтому сброс перегрузки необходимо выполнять ПРИ ОТКЛЮЧЕННОМ ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ. Т.е. двойной автомат должен отключать оба питающих провода от сети.

Для испытания силового модуля соберем на его основе простейший вариант лабораторного инвертора.
 

Простейший вариант лабораторного инвертора

Блок схема этого инвертора показана на рис.5. При наличии готового силового блока, нагрузки и нескольких компонентов общелабораторного назначения, такой инвертор собирается очень быстро. Инвертор прост, надежен и может использоваться в любых лабораторных экспериментах, связанных с индукционным нагревом с мощностью до 1.5-2 кВт и в которых не требуется никакая автоматика. В частности, тигельная плавка небольших образцов цветных металлов (до сотни грамм), индукционные трубчатые печи с графитовыми или металлическими нагревателями. Мощности такого инвертора вполне хватает и для левитационной плавки небольших (2-3 граммов) образцов алюминиевых сплавов.
 

Рис.5. Блок-схема простейшего инвертора на базе силового модуля.

Итак, кроме уже готового силового модуля, для его сборки нам еще понадобятся следующие элементы.

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Двойной «автомат» на 25 ампер.
3. Амперметр переменного тока до 10 А. Можно использовать недорогие токовые клещи.
4. Блок питания на 15В для питания драйвера.
5. Блок питания на 12 В для питания вентилятора.
6. Нагрузка.
7. Задающий генератор.

ЛАТР

ЛАТР в особых комментариях не нуждается. Желательно использовать мощный ЛАТР на 8-10 ампер, но для первых экспериментов можно взять ЛАТР и поменьше.
 

Автомат

Автомат выполняет функцию выключателя и предохранителя, защищающего сеть от короткого замыкания в устройстве. Автомат обязательно должен быть двойным, чтобы отключать оба провода, идущих к сети. Этот момент очень важен, т.к. силовая часть не имеет гальванической развязки с сетью. Обратите внимание и на предупреждение в конце раздела, посвященного силовому модулю, касающееся использования кнопки «перегрузка-сброс».
 

Низковольтные блоки питания

Особых требований к блокам питания нет. Можно использовать подходящие блоки питания от персональных компьютеров, от «зарядок», от некоторых принтеров, сканеров и т.д. Блок питания для драйвера (15 В) должен быть рассчитан на потребляемый ток от 0.5 А и выше.
 

Нагрузка

В первых экспериментах при отладке силового модуля мы будем использовать активную нагрузку. В качестве таковой вполне подойдет обычная лампа накаливания мощностью 300-500 Вт. Такая нагрузка удобна для самых первых включений инвертора, поскольку по накалу лампы можно сразу же судить о его работе. Но для реальных задач с индукционным нагревом нам необходимо будет сделать колебательный контур, состоящий из индуктора и конденсаторной батареи. Для согласования колебательного контура с инвертором и для обеспечения его гальванической развязки от инвертора (который непосредственно связан с питающей сетью) нам потребуется согласующий трансформатор и разделительный конденсатор.

Конкретная реализация резонансной нагрузки целиком зависит от решаемых задач. Универсальных решений здесь не существует. Во всех экспериментах, описанных в данной статье, мы будем использовать вариант нагрузки, схема которой изображена на рис.6. Для частных задач ее можно упростить. В неочевидных случаях об этом будет сказано отдельно.
 

Рис.6. Схема резонансной нагрузки, использованной в данной статье.

Цепочка R1C1 предназначена для демпфирования низкочастотных колебаний в цепи первичной обмотки согласующего трансформатора при использовании PDM-регулировки мощности. Это связано с тем, что спектр сигнала возбуждения при PDM-регулировке имеет много низкочастотных компонентов, которые могут привести к возбуждению паразитных НЧ колебаний. Про PDM-регулировку мощности и конкретные варианты ее реализации можно почитать в статьях [3, 5, 8]. Для экспериментов без PDM цепочку C1R1 можно не ставить.

В рассматриваемом силовом модуле используется несимметричное включение нагрузки. Т.е. нагрузка включена между центральной точкой полумоста и земляной шиной. Такое включение существенно упрощает логику управления инверторам при использовании PDM-регулировки мощности, но требует применения разделительного конденсатора C2 для устранения постоянной составляющей.

Для дополнительного ослабления ударно возбуждаемых низкочастотных колебаний в контуре, образованном разделительным конденсатором и первичной обмоткой согласующего трансформатора, желательно максимально снизить резонансную частоту этой цепи. Поэтому индуктивность намагничивания согласующего трансформатора сделана достаточно большой. В связи с этим, для обеспечения необходимого напряжения, вторичная обмотка содержит два витка вместо традиционного одного. Конечно, такой трансформатор проще сделать, используя броневые или Ш-образные сердечники. Но сердечников подходящих размеров под рукой не оказалось. Поэтому была сделана неразборная конструкция на ферритовых кольцах. Параметры колец указаны на схеме выше, а конструкция индуктора с согласующим трансформатором показана на рис.7.
 

Рис.7. Конструкция согласующего трансформатора и индуктора.

Для изготовления индуктора и вторичной обмотки согласующего трансформатора использована отожженная медная трубка внешним диаметром 4 мм и толщиной стенки – 1 мм. Параметры индуктора указаны на рис.6. Перед намоткой индуктора и вторичной обмотки согласующего трансформатора трубка плотно набивается мелко помолотой сухой поваренной солью. Это делается для того, чтобы избежать случайного «залома» трубки при гнутье с малым радиусом кривизны. Использовать традиционный песок при таких сложных геометриях не рекомендуется. Его трудно удалить. А соль сравнительно легко растворяется и вымывается проточной водой. Двух витка вторичной обмотки вполне достаточно для работы на уровне мощности до 2 кВт при питании полумостового инвертора от однофазной сети. Если не хватит, то количество витков можно легко увеличить.

Конструкция конденсаторной батареи аналогична конструкции, использованной в работе [2, 8].

Итак, с нагрузкой разобрались. Остался задающий генератор.
 

Задающий генератор

Для первых экспериментов проще всего взять готовый генератор сигналов. Генератор сигналов должен выдавать меандр с амплитудой 4-5 В и регулируемой частотой в нужном диапазоне. Частотный диапазон зависит от решаемых задач и транзисторов, используемых в качестве ключей в силовом модуле. Для определенности будем рассматривать модуль, собранный на транзисторах IRGP20B60PD. В «мягком» режиме переключения при работе на резонансную нагрузку эти транзисторы, согласно datasheet, работоспособны до 150 кГц.

Очень удобно в качестве генератора сигналов использовать генераторы, входящие в состав некоторых виртуальных приборов. Например, генератор сигналов довольно популярного USB-осциллографа PV6501 практически идеально подходит для таких экспериментов.

Ну а если готового генератора сигналов все-таки нет, то его несложно сделать самому. Ниже мы рассмотрим два варианта самодельных задающих генераторов – простейший генератор на триггере Шмитта и более «продвинутый» вариант — ФАПЧ-синтезатор частоты на микроконтроллере ATtiny2313 и микросхеме CD4046.
 

Задающий генератор на триггере Шмитта

В Сети существует огромное количество схем генераторов на логических элементах. Наверное, самый простой из них – генератор на одном инвертирующем триггере Шмитта. Но для работы в качестве задающего генератора инвертора он должен выдавать именно меандр. Т.е. длительность импульса должны быть точно равна длительности паузы. Если это не так, то меандр легко получить из любого генератора импульсов при помощи D-триггера (флип-флоп). Частота при этом упадет в два раза, но зато гарантировано будет меандр. Так мы и поступим. Для первых экспериментов такой генератор можно собрать просто на макетной плате. Схема генератора и его вид показан на рис.8.

Для регулировки частоты (резистор R2) желательно использовать прецизионный многооборотный переменный резистор. Особенно это важно, если будет использоваться частотный способ регулировки мощности инвертора. Но, при наличии определенной сноровки, можно поставить и обычный переменный резистор. В этом случае желательно сузить диапазон регулировки частоты путем подбора соответствующих значений R1, R2 и C1.
 

Рис.8. Схема и макет задающего генератора.

Включаем. Смотрим сигнал с выхода PDMC на экране осциллографа. Правильно собранный генератор обычно работает сразу же. Проверяем генерацию, форму импульсов и пределы регулировки частоты.
 

Модуль синтезатора частоты

Второй вариант задающего генератора – ФАПЧ-синтезатор частоты на микроконтроллере ATtiny2313. Он был подробно описан в статье [4, 8]. Однако, в той статье синтезатор был рассчитан на работу в частотном диапазоне 100-300 кГц. В данной работе мы будем работать с более низкими частотами (60-70 кГц). Поэтому нужно изменить номиналы некоторых элементов и откорректировать программное обеспечение микроконтроллера. Схема и внешний вид платы синтезатора показаны на рис.9. При указанных номиналах синтезатор стабильно работает в диапазоне 33-150 кГц. Минимальный шаг изменения частоты синтезатора – 62.5 Гц. При удержании кнопок «+/-» более 0.5 сек шаг изменения частоты плавно увеличивается до 1 кГц.
 

Рис.9. Схема и собранная плата ФАПЧ-синтезатора частоты.

Все материалы, необходимые для сборки данного синтезатора частоты, можно найти в дополнительных материалах к данной статье [7] в папке Syn_376.
 

Испытание инвертора на активной нагрузке

Теперь у нас все готово для сборки простейшего инвертора с ЛАТРом. Собираем и подключаем. Первые испытания проводим при пониженном напряжении на активной нагрузке. Перед первым включением выводим регулировку уровня токовой защиты на максимальную чувствительность (ползунок резистора R14 в верхнем положении, см. рис.1.).

Включаем инвертор в следующей последовательности.

1. ЛАТР – в нулевом положении. Сетевой автомат выключен.
2. Включаем питание 12 В (вентиляторы), 15 В (драйвер). В любом порядке.
3. Включаем питание генератора сигналов (5 В). Установим частоту генератора в пределах 50-60 кГц.
4. Включаем автомат.
5. Поворачивая ЛАТР, устанавливаем напряжение питания инвертора в районе 50 В.

Если компоненты исправны и все собрано правильно, в этот момент мы увидим слабое свечение лампочки. Если нет, то необходимо найти неисправность. Для первых шагов в поиске неисправностей можно обратиться к Приложению 1. Там описана последовательность шагов для локализации неисправностей инвертора, если они все-таки имеют место. После устранения неисправностей продолжим работу с инвертором при пониженном напряжении на активную нагрузку.

«Погоняем» его в таком режиме полчаса-час. Ничто не должно греться (кроме лампочки), скрипеть, взрываться и т.п. Посмотрим при помощи осциллографа напряжение на нагрузке – это должен быть четкий меандр, возможно, с небольшими выбросами (иглами) за фронтами и срезами импульсов. Такая картинка должна сохраняться во всем рабочем диапазоне частот. Покрутим ручку ЛАТРа. Амплитуда напряжения на нагрузке и яркость свечения лампы должны изменяться соответственно. На рис.10. показан «рабочий момент» такого тестирования.
 

Рис.10. Испытание простейшего инвертора на активной нагрузке.

Если все прошло нормально, можно переходить к следующим испытаниям нашего инвертора – на резонансной нагрузке. В качестве задающего генератора далее будем использовать синтезатор частоты.
 

Испытание инвертора на резонансной нагрузке

Подключим уже изготовленную резонансную нагрузку к инвертору, согласно схеме, приведенной на рис.11.
 

Рис.11. Подключение резонансной нагрузки.

Для контроля тока в нагрузке нам потребуется токовый трансформатор. Трансформатор тока ТТ1, используемый в данной работе, намотан на ферритовом кольце М2500 НМС 16х10х8. Вторичная обмотка трансформатора тока содержит 60 витков провода МГТФ-0.12. Если есть вопросы, то популярно почитать про трансформаторы тока можно, например, в статье [6].

Сигнал напряжения снимаем непосредственно с выходных клемм инвертора, к которым подключена нагрузка.

Если уровень срабатывания защиты еще не настроен, то выставим его на максимальную чувствительность (ползунок резистора R14 вверху по схеме, см. рис.1).

Поместим в индуктор графитовый тигель подходящего размера или просто куски графитовых электродов так, чтобы пространство внутри индуктора было заполнено графитом не менее, чем на половину. Необходимо принять меры, чтобы графит не замыкал витки индуктора. Для этого можно использовать муллитовую вату или другой подходящий высокотемпературный изолирующий материал. Если есть возможность – можно использовать специальные термостойкие оплетки для индуктора.

После проверки монтажа и подачи водяного охлаждения на индуктор включаем инвертор точно в таком же порядке, как и в случае активной нагрузки. С той лишь разницей, что перед подачей высокого напряжения (поворота ручки ЛАТРа) частоту задающего генератора нужно выставить на максимальный уровень. Плавно поднимаем при помощи ЛАТРа напряжение питания инвертора приблизительно до 30-40 В. На экране осциллографа мы увидим прямоугольные импульсы, соответствующие напряжению на выходе инвертора и периодический сигнал тока нагрузки. При достаточно высокой начальной частоте задающего генератора сигнал тока будет почти треугольный. Фаза тока запаздывает относительно фазы напряжения. На рис.12 показан начальный момент тестирования.
 

Рис.12. Начальный этап тестирования инвертора на резонансной нагрузке.

Начинаем плавно понижать частоту задающего генератора. Наблюдаем за сигналами тока и напряжения. Типичные осциллограммы представлены на рис.13.
 

Рис.13. Осциллограммы тока и напряжения в зависимости от частоты задающего генератора.

С понижением частоты задающего генератора амплитуда сигнала тока будет увеличиваться, а форма сигнала — постепенно трансформироваться из треугольной (осциллограмма 1) в синусоидальную (осциллограмма 2). Фазовый сдвиг тока относительно напряжения тоже постепенно уменьшается. Мы приближаемся к резонансу. Наконец, при резонансной частоте амплитуда достигнет максимума, а фаза тока совпадет с фазой напряжения (осциллограмма 3). Если мы будем продолжать уменьшать частоту задающего генератора, то амплитуда тока начнет уменьшаться, а фаза тока начнет опережать фазу напряжения. Мы заходим в так называемый «емкостной режим». На фронтах и срезах импульсов напряжения появятся высокочастотные выбросы (иглы), обусловленные жестким обратным восстановлением возвратных диодов ключей. При таких режимах ключи работают в жестком режиме и сильнее греются. При работе на резонансную нагрузку заходить в эту область не рекомендуется.

Вернем частоту задающего генератора на значение, соответствующее резонансной частоте нагрузки (или чуть большее, когда только-только исчезнут заметные «иглы» на осциллограмме напряжения). Дадим инвертору поработать в этом режиме минут двадцать-тридцать. Температура радиаторов не должна заметно превышать температуру окружающей среды (не более чем на пару градусов). Также не должно быть никаких искрений, подергиваний, срывов и т.п.

Если это испытание пройдено успешно, то при помощи ЛАТРа начинаем плавно увеличивать напряжение питания инвертора. В какой-то момент времени должна сработать защита. Процедура установки уровня защиты описана в Приложении 2. Настраиваем защиту. К концу настройки мы выйдем на максимальный уровень мощности инвертора. Графитовые стержни внутри индуктора должны раскалиться добела. Картинка должна напоминать то, что изображено на рис.14.
 

Рис.14. Инвертор в процессе испытаний.

Оставим инвертор немного (минут 5-10) поработать в режиме с максимальной мощностью. Ничего не должно взрываться, перегреваться, дымить, искрить. Также не должно быть никаких посторонних громких шумов и тресков. Только шум вентиляторов. Если все именно так, то будем считать первые испытания и настройку силового модуля в «боевых» условиях завершенными успешно.

Рассмотренный только что простейший вариант инвертора функционально полностью эквивалентен первому варианту лабораторного инвертора, описанного в статье [1, 8]. Он более надежен за счет использования токовой защиты по цепи питания. Поэтому этот инвертор вполне может быть рекомендован в качестве более «продвинутой» альтернативы инвертору, описанному в [1, 8].
 

Другие варианты инверторов на базе силового модуля

На базе рассмотренного силового модуля и дополнительных модулей, связанных с управлением, описанных в статьях [3, 4, 8], можно легко и быстро собирать различные варианты лабораторного инвертора, оптимизированные под конкретные задачи и имеющиеся ресурсы. Ниже рассмотрены несколько конкретных примеров таких инверторов.
 

Инвертор с частотной регулировкой мощности

Регулировка мощности за счет изменения напряжения питания инвертора (например, при помощи ЛАТРа, как в только что рассмотренном варианте) является простой, удобной и вполне надежной. Однако ЛАТР – штука довольно громоздкая даже на уровне 1-2 кВт. Для многих задач, связанных с индукционным нагревом и плавкой, конструкцию можно существенно «облегчить». Можно просто убрать ЛАТР и использовать так называемую частотную регулировку мощности. Естественно, такой подход работает только с резонансной нагрузкой. Для такой нагрузки мощность инвертора зависит от частоты расстройки задающего генератора по сравнению с резонансной частотой нагрузки. На практике мы уже использовали такой способ в мостовом инверторе, описанном в работе [2, 8]. Там же можно прочитать и о методике работы с инверторами, в которых используется частотный способ регулировки мощности. А в начале статьи [3, 8] можно посмотреть сравнительный анализ различных способов регулировки мощности в инверторах.

Инвертор с частотной регулировкой мощности получается очень просто из предыдущей конструкции. Для этого убираем ЛАТР и подключаем инвертор непосредственно к сети. Как показано на рис.15.
 

Рис.15. Блок-схема инвертора с частотной регулировкой мощности.

Здесь необходимо отметить один небольшой нюанс. При использовании инверторов напряжения, в цепи питания которых стоят большие электролитические конденсаторы, существует небольшая проблема, связанная с их предварительной зарядкой. При включении питания инвертора при разряженных конденсаторах возникает сильный бросок потребляемого тока, намного превышающий номинальное значение. Для ограничения броска тока обычно применяют различную автоматику. Мы тоже использовали простое реле напряжения в работе [2, 8]. Но, как показала практика, в лабораторных конструкциях вполне уместна даже самая простейшая система первоначальной зарядки через ограничивающий резистор, с последующим «ручным» замыканием этого резистора при помощи еще одного автомата (рис.15 сверху). Понятно, что этот вспомогательный автомат должен быть рассчитан на больший ток, чем основной автомат. Вся эта замечательная конструкция показана на рис.16 ниже. Резистор R2 – два параллельно включенных 2-ваттных резистора. Если при включении инвертора забыть включить вспомогательный автомат, ничего страшного не произойдет. Просто (при достаточной мощности инвертора) от резисторов пойдет густой дым. Но после пары-тройки сожженных резисторов R2 вырабатывается довольно устойчивый условный рефлекс и такой «ручной» режим зарядки электролитических конденсаторов начинает «работать» не менее надежно, чем автоматический.
 

Рис.16. «Ручная» система зарядки электролитических конденсаторов.

Работа с частотной регулировкой очень проста. Главное – не забывать перед включением высокого напряжения устанавливать частоту задающего генератора существенно выше резонансной частоты нагрузки. Так, чтобы мощность, потребляемая инвертором, при включении была минимальной. После установки частоты задающего генератора на максимальный уровень включаем высокое напряжение при помощи основного автомата. На амперметре мы увидим бросок тока, обусловленный зарядкой электролитических конденсаторов блока питания. Через несколько секунд потребляемый ток упадет до минимального значения, соответствующего начальной рабочей частоте задающего генератора. После этого включаем вспомогательный автомат, замыкающий зарядный резистор, и приступаем к работе. Начинаем плавно понижать частоту задающего генератора. При этом необходимо контролировать потребляемый ток и (желательно) разность фаз тока и напряжения нагрузки на экране осциллографа. На требуемом уровне мощности останавливаемся. Работать в области ниже резонанса не рекомендуется. Общий вид работающего инвертора с частотной регулировкой мощности показан на рис.17.
 

Рис.17. Общий вид работающего инвертора с частотной регулировкой мощности.

Пример регулировочной кривой для нагрузки, использованной в данном примере, показана на рис.18. Мы видим, что она сильно нелинейная, а ее форма, естественно, зависит от вида АЧХ конкретной нагрузки. Резонансная частота нагрузки в данном эксперименте – 72.8 кГц.
 

Рис.18. Регулировочная кривая для данного варианта нагрузки.

Помимо нелинейности регулировочной кривой и ее зависимости от нагрузки у частотного метода есть еще один недостаток. При частоте возбуждения, несовпадающей с резонансной частотой, фазы напряжения и тока нагрузки не совпадают. Поэтому при таком способе невозможно реализовать «мягкий» режим работы ключей (например, включать/выключать ключи, когда значение тока близко к нулю). Такой режим возможен только вблизи максимального уровня мощности, когда частота задающего генератора близка к резонансной частоте нагрузки.

Перейдем теперь к рассмотрению вариантов инверторов, свободных от этих недостатков.
 

Инвертор с PDM-регулировкой мощности

PDM-регулировка мощности – один из немногих методов, позволяющих обеспечить «мягкий» режим работы ключей во всем диапазоне регулировки мощности инвертора. Аббревиатура «PDM» означает Pulse Density Modulation. Т.е. – модуляция плотности импульсов. Особенность этого режима в том, что мы «накачиваем» энергию в нагрузку (переключаем ключи) не каждый период колебаний тока в нагрузке, а, например, через раз (или через два). В этом случае мы получим среднюю мощность в нагрузке соответственно в два (или в три) раза меньшую.

Здесь можно провести очень наглядную аналогию с качелями, которые мы раскачиваем с земли. Представьте, что вы толкаете качели не каждый раз, когда они к вам приближаются, а только через раз или через два. Или вообще, пропускаете толчки по какому-нибудь очень «хитрому» алгоритму, поддерживая какой-то совершенно особый вариант изменения средней амплитуды колебаний качелей, который больше всего нравится вашей девушке. Это и есть PDM.

Вернемся к инвертору. Поскольку частота задающего генератора близка к резонансной частоте нагрузки, то ключи всегда будут переключаться вблизи нуля тока. Во время PDM-пауз (когда энергия в контур не «накачивается») контур совершает свободные колебания. В зависимости от топологии, ток во время свободных колебаний замыкается либо через возвратные диоды ключей и конденсаторы фильтра блока питания, либо через постоянно открытый в PDM-паузах нижний ключ полумоста и его возвратный диод.

Инвертор с частотной регулировкой мощности, рассмотренный в предыдущем разделе, тоже сравнительно просто превращается в инвертор с PDM-регулированием. Для этого нам нужно настроить задающий генератор на резонанс с нагрузкой и установить между задающим генератором и силовым модулем, так называемый, PDM-модулятор, который по определенному алгоритму будет либо пропускать, либо не пропускать управляющие импульсы на силовой модуль. Блок-схема такого инвертора показана на рис.19.
 

Рис.19. Блок схема инвертора с PDM-регулировкой мощности.

Таким образом, дело только за PDM-модулятором.
 

Модуль PDM-модулятора

Основная функция PDM-модулятора – пропускать только определенное количество импульсов из всех импульсов, поступающих на его вход от задающего генератора. Процент пропущенных импульсов определяется требуемым уровнем мощности инвертора. Существует множество алгоритмов, при помощи которых можно осуществить такое «прореживание» входных импульсов. Один из них, очень простой и удобный для реализации на микроконтроллерах, подробно рассмотрен в статье [3, 8]. В виде законченного модуля его можно найти в приложении к другой статье [4, 8], в самом конце которой кратко рассмотрены возможные варианты его использования. Схема PDM-модулятора с сервисным микроконтроллером и жидкокристаллическим дисплеем представлена на рис.20.
 

Рис.20. Схема модуля PDM-модулятора.

На микроконтроллере IC1 реализованы сервисные функции – опрос кнопок, обслуживание жидкокристаллического дисплея, измерение частоты входного сигнала и передача по USART установленного пользователем уровня PDM в микроконтроллер самого PDM-модулятора, реализованного на втором микроконтроллере IC2. Кнопка «Пуск» в данной задаче не используется. Ее можно не ставить. Либо использовать для других целей (например, диагностических). На рис.21 представлен вид собранного модуля.
 

Рис.21. Общий вид модуля PDM-модулятора.

Все материалы, необходимые для изготовления модуля PDM-модулятора, можно найти в дополнительных материалах к данной статье [7] в папке PDM_Control_375. Единственная регулировка, которая требуется при первом включения — установка контрастности ЖК-дисплея при помощи резистора R2 (рис.20).
 

Практический пример инвертора с PDM-регулировкой мощности

Вставляем готовый модуль PDM-модулятора между силовым модулем и синтезатором частоты. Платы модулей синтезатора и модулятора разведены так, что их можно расположить впритык друг к другу, соединив соответствующие клеммы короткими жесткими проводниками. Вид инвертора с PDM-регулировкой мощности в процессе тестирования показан на рис.22.
 

Рис.22. Инвертор с PDM-регулировкой мощности в процессе работы.

Работа с таким инвертором тоже довольно проста. Если известна резонансная частота нагрузки, то частота задающего генератора устанавливается чуть выше резонансной частоты. После этого включается высокое (не забывая про зарядный резистор). Затем нажатием кнопок «Мощность +» и «Мощность –» устанавливается требуемый уровень мощности инвертора.

Если же резонансная частота не известна, то вначале поступаем точно так же, как и при частотной регулировке. Перед включением высокого напряжения на задающем генераторе устанавливаем частоту заведомо больше резонансной частоты нагрузки. Далее, включаем высокое и выставляем уровень PDM на 10% или 20%. Плавно понижаем частоту задающего генератора так, чтобы получить максимальную амплитуду сигнала тока. Это можно сделать множеством способов, но нас устроит лишь такая частота, при которой количество периодов колебаний тока между двумя импульсами напряжения было 10 или 5 соответственно. Все. Настройка частоты выполнена. Теперь, регулируя уровень PDM, выставляем требуемый уровень мощности и приступаем к работе.

Осциллограммы тока и напряжения при нескольких значения PDM показаны на рис.23. Из этих осциллограмм легко видеть, что переключение ключей (фронты и срезы сигналов напряжения — желтый цвет осциллограмм) происходят в моменты времени, когда ток нагрузки близок к нулю (осциллограммы голубого цвета). При необходимости такой режим достигается путем дополнительной подстройки частоты задающего генератора. Мы видим, что, в отличие от частотной регулировки, «мягкий» режим переключения ключей в данном случае сохраняется во всем диапазоне изменения мощности инвертора.
 

Рис.23. Осциллограммы тока и напряжения при различных значениях PDM.

Ниже на рис.24 приведена регулировочная кривая для инвертора с PDM-регулировкой мощности. Видно, что нелинейность этой регулировочной кривой гораздо меньше, чем для инвертора с частотной регулировкой.
 

Рис.24. Регулировочная кривая для инвертора с PDM-регулировкой мощности.

Рисунки 23 и 24 иллюстрируют два основных преимущества PDM-регулировки мощности – сохранение «мягкого» режима переключения ключей во всем диапазоне регулировки мощности и достаточно линейная регулировочная кривая. «Заплатили» мы за это усложнением логики управления силовым модулем.
 

Автогенератор с регулировкой мощности при помощи ЛАТРа

В предыдущих примерах мы использовали «ручную» настройку частоты задающего генератора в резонанс с нагрузкой. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) для задач индукционного нагрева обычно не является принципиально важной, т.к. добротности нагрузок обычно невысоки, а изменение резонансной частоты за счет перехода точки Кюри или изменения геометрии плавящегося металла, как правило, тоже не очень велики. Для таких задач гораздо важнее автоматическая регулировка мощности инвертора, которая, кстати, сравнительно просто реализуется при помощи PDM-модулятора.

Тем не менее, АПЧ очень удобна на практике, т.к. избавляет от необходимости выполнять процедуру «ручной» настройки частоты, например, при смене нагрузки. В связи с этим рассмотрим еще пару вариантов инверторов, снабженных такой функцией.

В статье [4, 8] мы анализировали различные способы автоматической подстройки частоты лабораторного инвертора и на модельном инверторе были продемонстрированы три наиболее распространенных варианта. Для инверторов с PDM-регулированием мощности наиболее удобной является реализация АПЧ по принципу автогенератора. В автогенераторе сигнал, пропорциональный выходному, после соответствующего усиления подается на вход инвертора так, чтобы образовывалась положительная обратная связь. При достаточном коэффициенте усиления цепи обратной связи, в инверторе будет наблюдаться автогенерация. Так как суммарный коэффициент усиления всей цепи обратной связи будет максимален именно на резонансной частоте нагрузки, то частота автогенератора коррелируется с ней. Т.е. автоматическая подстройка частоты осуществляется за счет частотной избирательности нагрузки.

В той же работе [4, 8] мы выяснили, что задержки сигнала, обусловленные наличием dead-time в двухтактных схемах инверторов и задержками в драйверах, приводят к тому, что частота автогенерации может заметно отличаться от резонансной частотой нагрузки. При этом ключи начинают работать не в оптимальных режимах. Для устранения этой особенности в цепь положительной обратной связи вводится еще один модуль – компенсатор задержки, осуществляющий отрицательный сдвиг фазы. С небольшими изменениями этот же модуль мы будем использовать и в данной работе.
 

Модуль компенсатора задержки

Схема модуля компенсатора задержки и готовой платы представлены на рис.25. Красным цветом помечены два дополнительных резистора, которые облегчают запуск ФАПЧ компенсатора задержек и улучшают стабильность работы ГУН, по сравнению с модулем, описанным в [4, 8].
 

Рис.25. Модуль компенсатора задержек.

Подробно работа компенсатора рассмотрена в статье [4, 8]. Здесь же только отметим, что за счет использования цепочки R3C3, ГУН микросхемы IC1 генерирует сигнал, опережающий по фазе входной сигнал. Т.е., образно говоря, происходит как бы «отрицательная задержка» входного сигнала так, чтобы полностью компенсировать запаздывание сигнала в силовом модуле.

Для удобства, все материалы, необходимые для изготовления этого модуля, с минимальными изменениями продублированы в архиве материалов к данной статье [7] в папку Neg_391.
 

Дифференциальный трансформатор тока

Здесь необходимо обсудить еще один нюанс. Сигнал положительной обратной связи, который мы будем подавать на вход компенсатора задержек, пропорционален току, текущему через нагрузку. Как правило, в качестве датчика тока используются трансформаторы тока. Обычно с ними нет никаких проблем, но для лабораторных задач инверторы должны иметь широкий диапазон регулировки мощности. Фактически от 0 до максимально возможного. А это уже создает определенные проблемы при малых уровнях мощности. Характерные высокочастотные наводки, совпадающие по времени с моментами переключения ключей, по амплитуде становятся сопоставимы с самим сигналом тока. Пример таких наводок можно посмотреть на рис.26 справа, где они выделены красным. Эти наводки могут приводить к сбоям ФАПЧ компенсатора задержек и в результате – к невозможности работы всей системы.
 

Рис.26. Пример высокочастотных наводок на сигнале тока и схема дифференциального трансформатора тока.

Характерные частоты этих наводок много выше рабочих частот инвертора и составляют десятки мегагерц. Поэтому они сравнительно просто отфильтровать. В данной работе для этой цели используется дифференциальный трансформатор тока, схема которого приведена на рис.26 справа. Вторичные обмотки мотаются бифилярно. Затем конец одной соединяется с началом другой и делается отвод. Высокочастотные наводки с двух вторичных обмоток взаимно компенсируются. Такой трансформатор позволяет существенно снизить уровень помех и повысить надежность работы АПЧ.

Ну вот теперь у нас есть все, чтобы собрать автогенератор.
 

Пример автогенератора с регулировкой мощности при помощи ЛАТРа

Для разнообразия в первом варианте автогенератора мы будем регулировать мощность при помощи ЛАТРа. Такой вариант может быть интересен для тех, кто не хочет связываться с микроконтроллерами и PDM. Блок-схема инвертора показана на рис.27.
 

Рис.27. Блок-схема автогенератора.

Работать с таким инвертором очень просто. В самом начале работы ЛАТР установлен в ноль. Включаем все питание. Начинаем плавно поворачивать ручку ЛАТРа. Вначале ГУН компенсатора задержек (работающий фактически как дежурный генератор) выдает минимально возможную частоту, определяемую резистором R5 и емкостью C5 (рис.25). Но при достижении напряжения питания инвертора уровня 20-30В (это, конечно, зависит от добротности нагрузки) ФАПЧ «срабатывает» и автогенератор начинает работать на частоте, близкой к резонансной частоте нагрузки.

При первом запуске автогенератора необходимо отрегулировать величину «отрицательной задержки» компенсатора. Это делается при помощи резистора R3 (рис.25). Отрегулировать его необходимо так, чтобы фаза сигнала тока совпала с фазой сигнала напряжения. Или чуть-чуть запаздывала, если на фронтах сигнала напряжения будут сильные «иглы».

На этом настройка автогенератора заканчивается. Далее, поворачивая ручку ЛАТРа, выставляем необходимый для работы уровень мощности инвертора. В дальнейшем (в том числе и при смене нагрузок) никаких дополнительных настроек компенсатора задержек уже не потребуется. Теперь для работы остается только одна «ручка» – ручка ЛАТРа. На рис.28 показан автогенератор в процессе работы.
 

Рис.28. Автогенератор в процессе работы.

Автогенератор с PDM-регулировкой мощности

Ну и наконец, для завершения демонстрации возможностей нашего «конструктора» инверторов соберем автогенератор с более «продвинутым» способом регулировки мощности, чем ЛАТР. Это будет автогенератор с PDM-регулировкой мощности.

Блок-схема его показана на рис.29. В принципе, все узлы этого инвертора мы уже рассматривали. Убираем ЛАТР (не забывая о зарядном резисторе), а между силовым модулем и компенсатором задержек вставляем уже знакомый нам модуль PDM-модулятора.
 

Рис.29. Автогенератор с PDM-регулировкой мощности.

Работа с таким автогенератором не менее проста, чем с предыдущим вариантом. После включения питания начинаем увеличивать уровень PDM. Начиная с PDM 4-5% (для данной нагрузки) «срабатывает» АПЧ автогенератора. После этого остается только выставить требуемый уровень мощности при помощи тех же самых кнопок. На рис. 30 изображен наш автогенератор c PDM в процессе работы.
 

Рис.30. Автогенератор с PDM-регулировкой мощности.

На графиках рис.31 можно видеть как происходит «запуск» системы ФАПЧ компенсатора задержки при увеличении PDM. Там же изображена и зависимость потребляемой мощности автогенератора от PDM.
 

Рис.31. Зависимость частоты автогенератора и потребляемой мощности от PDM.

Примечание к автогенераторам

Рассматривая два последних варианта инвертора, я употреблял термин «автогенератор». Поскольку в цепи обратной связи стоит компенсатор задержек, который использует систему ФАПЧ для своей работы, то такую топологию часто называют «инверторами с ФАПЧ». Вопрос, конечно, в большой степени терминологический. Но по сути, две последние конструкции все-таки скорее относятся к автогенераторам, поскольку механизм автоподстройки частоты у них связан именно с частотной избирательностью цепи обратной связи, характерной для автогенераторов, а не за счет минимизации разности фаз двух сигналов (например, тока и напряжения на контуре), характерного для ФАПЧ.
 

Выводы и обсуждение

Итак, мы закончили демонстрацию возможностей нашего «конструктора» лабораторных инверторов. Опыт его практического использования в процессе решения различных лабораторных задач (причем, не только связанных с индукционным нагревом) показывает, что такой подход оказался очень удобным, гибким, экономящим время и средства. Фактически такой конструктор «закрывает» все лабораторные потребности в инверторах с мощностью до нескольких кВт и частотой до нескольких сотен кГц, применительно к задачам индукционного нагрева, генерирования неравновесной плазмы и мощного ультразвука.

Что же дальше? Работы в направлении развития «конструктора», скорее всего, будут продолжены. В основном — в сторону использования более современной элементной базы, расширения частотного диапазона модулей и их интеграции с информационными сетями. Но – только в «фоновом режиме». Поскольку главная цель – «инкапсуляция» электронной части задачи подготовки физико-химического эксперимента с использованием инверторов в целом достигнута. С этой точки зрения экспериментатору остается только выбрать подходящий вариант инвертора и собрать его из готовых модулей. Основные же задачи (подготовки эксперимента по части инверторов) теперь смещаются в сторону разработки и согласования конкретных нагрузок. По сути дела именно «нагрузки» осуществляют трансформацию энергии высокочастотных электрических колебаний в энергию соответствующего поля (термического, электромагнитного, ультразвукового и т.п.). Возможна ли какая-нибудь унификация этого процесса? Пока не ясно. Как показал совсем небольшой опыт использования лабораторного инвертора для возбуждения ультразвука в жидких средах, это сложные физические задачи. Но очень увлекательные.

В заключение хочется привести «коллективную фотографию» четырех модулей из конструктора лабораторных инверторов, которые неплохо «потрудились» для данной статьи.
 

Рис.32. Модули лабораторного инвертора, использованные в данной работе.

Литература

1. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/30-03-2010/Invertor-01.php или Статья в формате pdf
2. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 2.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/05-07-2010/Invertor-02.php или Статья в формате pdf
3. Кухтецкий С.В. Цифровой модулятор плотности импульсов для регулирования мощности инвертора.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/01-11-2010/Invertor-03.php или Статья в формате pdf
4. Кухтецкий С.В. Способы подстройки частоты лабораторного инвертора.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/08-04-2011/Invertor-04.php или Статья в формате pdf
5. Кухтецкий С.В. Лабораторный инвертор с PDM-регулированием мощности.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/16-05-2011/Invertor-05.php или Статья в формате pdf
6. Трансформатор тока — http://bsvi.ru/transformator-toka
7. Архив материалов к статье
8. Архив всех статей, посвященных лабораторным инверторам, и дополнительных материалов к ним на dropbox

Благодарности

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ОХНМ РАН (проект №5.5.3) и ГК № 02.740.11.0269.
 

Приложение 1. Поиск неисправностей

Поиск неисправностей следует проводить в такой последовательности.

1. На всякий случай необходимо убедится, что на выходе инвертора (резистор R17) действительно нет сигнала. В противном случае — заменить лампочку нагрузки.
2. Проверяем наличие питания на всех шинах.
3. Проверяем сигнал на выходе генератора сигналов/на входе опторазвязки (IC1). Щупы осциллографа должны быть подключены к выводам 2 и 3 (земля) IC1. Должен быть меандр с амплитудой не менее 4 В. При вращении ручки регулировки частоты длительность импульсов и пауз должены соответствующим образом изменяться.
4. Проверяем работу опторазвязки – сигнал на выходе IC1. Земляной щуп осциллографа переключить на соответствующий штырек, припаянный к общей шине платы силового модуля. Теперь нужно работать осторожно. На земляном проводе осциллографа может оказаться высокий потенциал.
5. Проверяем последовательно наличие сигнала на выходах D1.1, D1.2, D2.1 и D2.2.
6. Если используется двухлучевой осциллограф, то посмотреть взаимное расположение импульсов на выходах D2.1 и D2.2. Убедиться в наличии паузы dead-time. Ее величина должна быть около 500 нс.
7. Проверить наличие сигнала на выходе LO драйвера (ножка 1 IC2).
8. Переключить земляной щуп осциллографа к выходу инвертора (Out+, но лучше – к выводу 5 IC2). Посмотреть сигнал на выходе HO (ножка 7 IC2).
9. Если пункты 1-8 пройдены успешно, а сигнала нет, то, скорее всего, проблема в силовых транзисторах VT1, VT2.

Приложение 2. Настройка уровня срабатывания токовой защиты

Да. На полностью собранном модуле с рабочей нагрузкой. Алгоритм настройки порога срабатывания защиты таков.

1. Выставляем максимальную чувствительность защиты (ползунок резистора R14 вверху по схеме).
2. Осциллограф для контроля — на шунт. Землю не путаем (особенно, если используются еще каналы этого осциллографа). На экране должны быть отрицательные импульсы падения напряжения на шунте.
3. Включаем все питание.
4. Постепенно увеличиваем PDM (либо напряжение питания инвертора в случае регулировки мощности при помощи ЛАТРа). Наблюдаем за импульсами. При каком-то PDM (напряжении) защита сработает.
5. Загрубляем слегка чувствительность защиты (крутим R14).
6. Сбрасываем PDM на 0 (напряжение питания инвертора – в 0), затем — сбрасываем триггер защиты.
7. Переходим к шагу 4. До тех пор, пока не дойдем до 100% PDM или пока амплитуда импульсов с шунта на экране осцилла (в пересчете на ток) не подойдет к предельным значениям для данных ключей. На этом — выходим из цикла. 

Схема прямоугольных импульсов. Генератор импульсов. Генератор прямоугольных импульсов с регулируемой частотой. Описание работы

Микросхема интегрального таймера 555 была разработана 44 года назад, в 1971 году и до сих пор популярна. Пожалуй, ещё ни одна микросхема так долго не служила людям. Чего только на ней не собирали, даже поговаривают, что номер 555 — это число вариантов её применения:) Одно из классических применений 555 таймера — регулируемый генератор прямоугольных импульсов.
В этом обзоре будет описание генератора, конкретное применение будет в следующий раз.

Плату прислали запечатанной в антистатический пакетик, но микросхема очень дубовая и статикой её так просто не убить.

Схема генератора стандартная для получения скважности импульсов ≤2

Красный светодиод подключен на выход генератора и при малой выходной частоте — мигает.
По китайской традиции, производитель забыл поставить ограничивающий резистор последовательно с верхним подстроечником. По спецификации, он должен быть не менее 1кОм, чтобы не перегружать внутренний ключ микросхемы, однако, реально схема работает и при меньшем сопротивлении — вплоть до 200 Ом, при котором происходит срыв генерации. Добавить ограничивающий резистор на плату затруднительно из-за особенности разводки печатной платы.
Диапазон рабочих частот выбирается установленной перемычной в одной из четырёх позиций
Частоты продавец указал неверно.

Реально измеренные частоты генератора при питающем напряжении 12В
1 — от 0,5Гц до 50Гц
2 — от 35Гц до 3,5kГц
3 — от 650Гц до 65кГц
4 — от 50кГц до 600кГц

Нижний резистор (по схеме) задаёт длительность паузы импульса, верхний резистор задаёт период следования импульсов.
Напряжение питания 4,5-16В, максимальная нагрузка на выходе — 200мА

Стабильность выходных импульсов на 2 и 3 диапазонах невысока из-за применения конденсаторов из сегнетоэлектрической керамики типа Y5V — частота сильно уползает не только при изменении температуры, но даже при изменении питающего напряжения (причём в разы). Рисовать графики не стал, просто поверьте на слово.
На остальных диапазонах стабильность импульсов приемлемая.

Вот что он выдаёт на 1 диапазоне
На максимальном сопротивлении подстроечников

В режиме меандр (верхний 300 Ом, нижний на максимуме)

В режиме максимальной частоты (верхний 300 Ом, нижний на минимум)

В режиме минимальной скважности импульсов (верхний подстроечник на максимуме, нижний на минимуме)

Для китайских производителей: добавьте ограничивающий резистор 300-390 Ом, замените керамический конденсатор 6,8мкФ на электролитический 2,2мкФ/50В, и замените конденсатор 0,1мкФ Y5V на более качественный 47нФ X5R (X7R)
Вот готовая доработанная схема

Себе генератор не переделывал, т.к. указанные недостатки для моего применения не критичны.

Вывод: полезность устройства выясняется, когда какая-либо Ваша самоделка потребует подать на неё импульсы:)
Продолжение следует…

Генераторы импульсов являются важной составляющей многих радиоэлектронных устройств. Простейший генератор импульсов (мультивибратор) может быть получен из двух-каскадного УНЧ (рис. 6.1). Для этого достаточно соединить вход усилителя с его выходом. Рабочая частота такого генератора определяется значениями R1C1, R3C2 и напряжением питания. На рис. 6.2, 6.3 показаны схемы мультивибраторов, полученные простой перестановкой элементов (деталей) схемы, изображенной на рис. 6.1. Отсюда следует, что одну и ту же простейшую схему можно изобразить различными способами.

Практические примеры использования мультивибратора приведены на рис. 6.4, 6.5.

На рис. 6.4 показана схема генератора, позволяющего плавно перераспределять длительность или яркость свечения светодиодов, включенных в качестве нагрузки в цепи коллекторов. Вращением ручки потенциометра R3 можно управлять соотношением длительностей свечения светодиодов левой и правой ветвей. Если увеличить емкость конденсаторов С1 и С2, частота генерации понизится, светодиоды начнут мигать. При уменьшении емкости этих конденсаторов частота генерации возрастает, мелькание светодиодов сольется в сплошное свечение, яркость которого будет зависеть от положения ручки потенциометра R3. На основе подобного схемного решения могут быть собраны разнообразные полезные конструкции, например, регулятор яркости светодиодного фонарика; игрушка с мигающими глазами; устройство плавного изменения спектрального состава источника излучения (разноцветные светодиоды или миниатюрные лампочки и светосуммирую-щий экран).

Генератор переменной частоты (рис. 6.5) конструкции В. Цибульского позволяет получать плавно изменяющееся со временем по частоте звучание [Р 5/85-54]. При включении генератора его частота возрастает с 300 до 3000 Гц за 6 сек (при емкости конденсатора СЗ 500 мкФ). Изменение емкости этого конденсатора в ту или иную сторону ускоряет или, напротив, замедляет скорость изменения частоты. Плавно изменять эту скорость можно и переменным сопротивлением R6. Для того чтобы этот генератор мог выполнять роль сирены, или быть использованным в качестве генератора качающейся частоты, можно предусмотреть схему принудительного периодического разряда конденсатора СЗ. Такие эксперименты можно рекомендовать для самостоятельного расширения познаний в области импульсной техники.

Управляемый генератор прямоугольных импульсов показан на рис. 6.6 [Р 10/76-60]. Генератор также представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для упрощения схемы генератора достаточно соединить эмиттеры транзисторов конденсатором. Емкость этого конденсатора определяет рабочую частоту генерации. В данной схеме для управления частотой генерации в качестве управляемой напряжением емкости использован варикап. Увеличение запирающего напряжения на варикапе приводит к уменьшению его емкости. Соответственно, как показано на рис. 6.7, возрастает рабочая частота генерации.

Варикап, в порядке эксперимента и изучения принципа работы этого полупроводникового прибора, можно заменить простым диодом. При этом следует учитывать, что германиевые точечные диоды (например, Д9) имеют очень малую начальную емкость (порядка нескольких пФ), и, соответственно, обеспечивают небольшое изменение этой емкости от величины приложенного напряжения. Кремниевые диоды, особенно силовые, рассчитанные на большой ток, а также стабилитроны, имеют начальную емкость 100… 1000 пФ, поэтому зачастую могут быть использованы вместо варикапов. В качестве варикапов можно применить и р-n переходы транзисторов, см. также главу 2.

Для контроля работы сигнал с генератора (рис. 6.6) можно подать на вход частотометра и проверить границы перестройки генератора при изменении величины управляющего напряжения, а также при смене варикапа или его аналога. Рекомендуется полученные результаты (значения управляющего напряжения и частоту генерации) при использовании разного вида варикапов занести в таблицу и отобразить на графике (см., например, рис. 6.7). Отметим, что стабильность генераторов на RC-элементах невысока.

На рис. 6.8, 6.9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений. Первый из них вырабатывает короткие вспышки света частотой единицы Гц, второй — импульсы звуковой частоты. Соответственно, первый генератор может быть использован в качестве маячка, светового метронома, второй — в качестве звукового генератора, частота колебаний которого зависит от положения ручки потенциометра R1. Эти генераторы можно объединить в единое целое. Для этого достаточно один из генераторов включить в качестве нагрузки другого, либо параллельно ей. Например, вместо цепочки из светодиода HL1, R2 или параллельно ей (рис. 6.8) можно включить генератор по схеме на рис. 6.9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.

Генератор импульсов (рис. 6.10), выполненный на составном транзисторе (п-р-п и р-п-р), не содержит конденсаторов (в качестве частотозадающего конденсатора использован пьезокерамиче-ский излучатель BF1). Генератор работает при напряжении от 1 до 10 Б и потребляет ток от 0,4 до 5 мА. Для повышения громкости звучания пьезокерамического излучателя его настраивают на резонансную частоту подбором резистора R1.

На рис. 6.11 показан достаточно оригинальный генератор релаксационных колебаний, выполненный на биполярном лавинном транзисторе.

Генератор содержит в качестве активного элемента транзистор микросхемы К101КТ1А с инверсным включением в режиме с «оборванной» базой. Лавинный транзистор может быть заменен его аналогом (см. рис. 2.1).

Устройства (рис. 6.11) часто используют для преобразования измеряемого параметра (интенсивности светового потока, температуры, давления, влажности и т.д.) в частоту при помощи резистивных или емкостных датчиков.

При работе генератора конденсатор, подключенный параллельно активному элементу, заряжается от источника питания через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения пробоя активного элемента (лавинного транзистора, динистора или т.п. элемента), происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки, после чего процесс повторяется с частотой, определяемой постоянной RC-цепи. Резистор R1 ограничивает максимальный ток через транзистор, препятствуя его тепловому пробою. Времязадающая цепь генератора (R1C1) определяет рабочую область частот генерации. В качестве индикатора звуковых колебаний при качественном контроле работы генератора используют головные телефоны. Для количественной оценки частоты к выходу генератора может быть подключен частотомер или счетчик импульсов.

Устройство работоспособно в широком интервале изменения параметров: R1 от 10 до 100 кОм (и даже до 10 МОм), С1 — от 100 пФ до 1000 мкФ, напряжения питания от 8 до 300 В. Потребляемый устройством ток обычно не превышает одного мА. Возможна работа генератора в ждущем режиме: при замыкании базы транзистора на землю (общую шину) генерация срывается. Преобразователь-генератор (рис. 6.11) может быть использован и в режиме сенсорного ключа, простейшего Rx-и Сх-метра, перестраиваемого широкодиапазонного генератора импульсов и т.д.

Генераторы импульсов (рис. 6.12, 6.13) также выполнены на лавинных транзисторах микросхемы К101КТ1 типа п-р-п или К162КТ1 типа р-п-р, динисторах, или их аналогах (см. рис. 2.1). Генераторы работают при напряжении питания выше 9 Б и вырабатывают напряжение треугольной формы. Выходной сигнал снимается с одного из выводов конденсатора. Входное сопротивление следующего за генератором каскада (сопротивление нагрузки) должно в десятки раз превышать величину сопротивления R1 (или R2). Низкоомную нагрузку (до 1 кОм) можно включать в коллекторную цепь одного из транзисторов генератора.

Довольно простые и часто встречающиеся на практике генераторы импульсов (блокинг-генераторы) с использованием индуктивной обратной связи показаны на рис. 6.14 [А. с. СССР 728214], 6.15 и 6.16. Такие генераторы обычно работоспособны в широком диапазоне изменения напряжения питания. При сборке блокинг-генераторов необходимо соблюдать фазировку выводов: при неправильном подключении «полярности» обмотки генератор не заработает.

Подобные генераторы можно использовать при проверке трансформаторов на наличие межвитковых замыканий (см. главу 32): никаким иным методом такие дефекты не могут быть выявлены.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

5.6 Генераторы импульсов

Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц.

На рис. 116 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки SB1. На логических элементахDD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки SB1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 — напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке — наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.

На рис. 117 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор — цикл повторяется.

Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду.

Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых

эффектов. Его недостаток — необходимость использования конденсатора значительной емкости.

На рис. 118 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада.

Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15…17 В и токе 20…50 мА.

В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 119, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 — длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1…2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 — 10…15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303

При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора.

Схема приведена на рис. 120. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют галетным переключателем SA1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1…10 000 Гц.

На рис. 121 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью. Скважность, т. е. отношение периода следования импульсов к длительности напряжения высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.

Генератор, схема которого приведена на рис. 122, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 форми-

руются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение.

Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов.

Иногда возникает необходимость в построении генератора, который формирует число импульсов, соответствующее номеру нажатой кнопки.

Принципиальная схема устройства (первый вариант), реализующего такую возможность, приведена на рис. 123. Функционально оно включает генератор импульсов, счетчик и дешифратор. Генератор прямоугольных импульсов собран на логических элементах DD1.3 и DD1.4. Частота следования импульсов около 10 Гц. С выхода генератора импульсы поступают на вход двоично-десятичного счетчика, выполненного на микросхеме DD2. Четыре выхода счетчика соединены со входами микросхемы DD3, представляющей собой дешифратор на 4 входа и 16 выходов.

При подаче питающего напряжения на правых (по схеме) контактах всех пятнадцати кнопок SB I-SB 15 будет напряжение низкого уровня, обеспечиваемое наличием низкоомного резистора R5. Это напряжение подается на вход ждущего мультивибратора, выполненного на элементах DD1.1, DD1.2 и конденсаторе С1, и

гасящего импульсы дребезга контактов кнопок. На выходе ждущего мультивибратора — напряжение низкого уровня, поэтому генератор импульсов не работает. При нажатии одной из кнопок конденсатор С3 мгновенно заряжается через диод VD1 до напряжения высокого уровня, в результате чего на выводах 2 и 3 счетчика DD2 появляется напряжение низкого уровня, устанавливающее его в рабочее состояние. Одновременно через замкнутый контакт нажатой кнопки напряжение высокого уровня подается на вход ждущего мультивибратора, и импульсы генератора поступают на вход счетчика. При этом на выходах дешифратора последовательно появляется напряжение низкого уровня. Как только оно появится на выходе, с которым соединен контакт нажатой кнопки, подача импульсов на вход счетчика прекратится. С вывода 11 элемента DD1.4 будет снято число импульсов, соответствующее номеру нажатой кнопки. Если продолжать удерживать кнопку нажатой, то через некоторое время конденсатор СЗ разрядится через резистор R2, счетчик DD2 установится в нулевое состояние и генератор выдаст новую серию импульсов. До окончания серии импульсов кнопку отпускать нельзя.

В устройстве использованы резисторы МЛТ-0,25; оксидные конденсаторы — К50-6. Транзисторы VT1, VT2 могут быть серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ201, диод VD1 — серий Д7, Д9, Д311. Кнопки SB 1 -SB 15 — типов П2К, KM 1-1 и др.

Настройка числоимпульсного генератора заключается в установке подбором резистора R1 и конденсатора С2 требуемой частоты следования импульсов генератора, которая может быть в пределах от единиц герц до десятков килогерц. При частоте выше 100 Гц для выдачи полной серии импульсов требуется время не более 0,15 с, поэтому кнопку можно не удерживать пальцем — короткого нажатия ее вполне достаточно для формирования пачки импульсов.

На рис. 124 представлена схема еще одного числоимпульсного генератора (второй вариант), по принципу работы аналогичного описанному выше. Благодаря применению микросхем серии К176 схема генератора упростилась. Генератор формирует от 1 до 9 импульсов.

В двух описанных выше вариантах числоимпульсных генераторов необходимо удерживать кнопку нажатой до окончания серии импульсов, в противном случае на выход поступит неполная пачка импульсов. Это является недостатком. На рис. 125 приведена схема третьего варианта числоимпульсного генератора, в котором импульсы начинают вырабатываться после отпускания кнопки.

На микросхемах DD1, DD2 и диодах VD1-VD3 собран шифратор, преобразующий десятичное число в двоичный код. Сигналы с выходов шифратора подаются на входы D1, D2, D4, D8 микросхемы

DD4 (реверсивный счетчик) и на входы логического элемента 4ИЛИ-HE(DD3.1).

Рассмотрим работу генератора при нажатии кнопки SB3. Когда кнопка нажата, на выходах логических элементов DD1.1 и DD1.2 установится напряжение высокого уровня, а на выходах DD2.1, DD2.2 сохранится напряжение низкого уровня. На выходе логического элемента DD3.1 появится напряжение низкого уровня, которое через дифференцирующую цепь C1R11 поступит на вход С реверсивного счетчика DD4 и установит его в состояние 1100. При этом на выходе логического элемента DD3.2 установится напряжение низкого уровня, которое инвертируется логическим элементом DD5.1 и подготавливает к работе генератор на логических элементах DD5.2-DD5.4. После отпускания кнопки SB3 на выходе элемента DD3.1 появится напряжение высокого уровня, которое будет подано на выход 12 микросхемы DD5; начнет работать генератор. Импульсы с его выхода (вывод 11 микросхемы DD5) поступают на вход -1 реверсивного счетчика. При этом происходит уменьшение числа, записанного в счетчике, и на выходах 1, 2, 4, 8 счетчика последовательно появляются комбинации логических уровней 0100, 1000, 0000. При установке счетчика в состояние 0000 на выходе логического элемента DD3.2 установится напряжение высокого уровня, и генератор остановится. На выход поступит три импульса.

Частота импульсов генератора определяется элементами С2 и R 12 и может изменяться в широких пределах (от единиц герц до сотен килогерц).

В описанных здесь генераторах импульсов можно использовать резисторы МЛТ-0,25, конденсаторы К50-6, КМ-6. Транзисторы КТ315Б можно заменить транзисторами из серий КТ312, КТ315, КТ316, КТ503. Диоды — любые из серий Д7, Д9, Д311. Кнопки — типов П2К, КМ1 и др. Микросхемы могут быть серий К 133, К 134, К 136, К158, КР531, К555 для первого и третьего вариантов; К561 — для второго варианта.

Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления и вычислительной технике.

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы – мультивибраторы, блокинг-генераторы. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.

В ждущем режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные процессы, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего устанавливается устойчивое исходное состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора. Основными требованиями к ждущим генераторам является стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяются, прежде всего, для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов, для деления частоты повторения импульсов и других целей.

В автоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. В этом режиме без какого-либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора. Основным требованием, предъявляемым к таким генераторам, является высокая стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменения питающих напряжений, смены и старения элементов, воздействия других факторов (температуры, влажности, наводок и т. п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.

В режиме синхронизации или деления частоты частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора. Частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов релаксационного типа называется мультивибратором.

Схема мультивибратора может быть реализована как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении.

Мультивибратор на дискретных элементах. В таком мультивибраторе используют два усилительных каскада, охваченных обратной связью. Одна ветвь обратной связи образована конденсатором и резистором, а другая – и (рис. 6.16).

состояний и обеспечивает генерирование периодически повторяющихся импульсов, форма которых близка прямоугольной.

В мультивибраторе оба транзистора могут находиться в активном режиме очень короткое время, так как в результате действия положительной обратной связи схема скачком переходит в состояние, когда один транзистор открыт, а другой закрыт.

Примем для определенности, что в момент времени транзисторVT 1 открыт и насыщен, а транзисторVT 2 закрыт (рис. 6.17). Конденсаторза счет тока, протекавшего в схеме в предшествующие моменты времени, заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что к базе транзистораVT 2 относительно эмиттера приложено отрицательное напряжение иVT 2 закрыт. Поскольку один транзистор закрыт, а другой открыт и насыщен, в схеме не выполняется условие самовозбуждения, так как коэффициенты усиления каскадов
.

В таком состоянии в схеме протекают два процесса. Один процесс связан с протеканием тока перезаряда конденсатора от источника питания по цепи резистор – открытый транзистор VT 1 .Второй процесс обусловлен зарядом конденсатора через резистор
и базовую цепь транзистораVT 1 , в результате напряжение на коллекторе транзистора VT 2 увеличивается (рис. 6.17). Поскольку резистор, включаемый в базовую цепь транзистора, имеет большее сопротивление, чем коллекторный резистор (
), время заряда конденсатора меньше времени перезаряда конденсатора.

открыт, поскольку его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания через резистор .

Базовое
и коллекторное
напряжения транзистораVT 1 при этом не изменяются. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.

В момент времени по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора VT 2 достигает напряжения открывания и транзистор VT 2 переходит в активный режим работы, для которого
. При открывании VT 2 увеличивается коллекторный ток и соответственно уменьшается
. Уменьшение
вызывает снижение базового тока транзистораVT 1 , что, в свою очередь, приводит к уменьшению коллекторного тока . Снижение токасопровождается увеличением базового тока транзистораVT 2 , поскольку ток, протекающий через резистор
, ответвляется в базу транзистораVT 2 и
.

После того как транзистор VT 1 выйдет из режима насыщения, в схеме выполняется условие самовозбуждения:
. При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается, когда транзистор VT 2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT 1 – в режим отсечки.

В дальнейшем практически разряженный конденсатор (
) заряжается от источника питания по цепи резистор
– базовая цепь открытого транзистора VT 2 по экспоненциальному закону с постоянной времени
. В результате в течение времени
происходит увеличение напряжения на конденсаторе до
и формируется фронт коллекторного напряжения
транзистораVT 1 .

Закрытое состояние транзистора VT 1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения конденсатор через открытый транзисторVT 2 подключен к промежутку база – эмиттер транзистора VT 1 , чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. С течением времени запирающее напряжение на базе изменяется, поскольку конденсатор перезаряжается по цепи резистор – открытый транзистор VT 2 . В момент времени напряжение на базе транзистора VT 1 достигает значения
и он открывается.

В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор VT 1 переходит в режим насыщения, а VT 2 закрывается. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения
, а конденсатор практически разряжен(
). Это соответствует моменту времени , с которого началось рассмотрение процессов в схеме. На этом полный цикл работы мультивибратора заканчивается, так как в дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Как следует из временной диаграммы (рис. 6.17), в мультивибраторе периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае, когда нагрузка подключается к коллектору транзистора VT 2 , длительность импульсов определяется процессом перезаряда конденсатора , а длительность паузы – процессом перезаряда конденсатора .

Цепь перезаряда конденсатора содержит один реактивный элемент, поэтому , где
;
;.

Таким образом, .

Процесс перезаряда заканчивается в момент времени, когда
. Следовательно, длительность положительного импульса коллекторного напряжения транзистораVT 2 определяется формулой:

.

В том случае, когда мультивибратор выполнен на германиевых транзисторах, формула упрощается , поскольку
.

Процесс перезаряда конденсатора , который определяет длительность паузымежду импульсами коллекторного напряжения транзистораVT 2 , протекает в такой же эквивалентной схеме и при тех же условиях, что и процесс перезаряда конденсатора , только с другой постоянной времени:
. Поэтому формула для расчета аналогична формуле для расчета:

.

Обычно в мультивибраторе длительность импульса и длительность паузы регулируют, изменяя сопротивление резисторов и.

Длительности фронтов зависят от времени открывания транзисторов и определяются временем заряда конденсатора через коллекторный резистор того же плеча
. При расчете мультивибратора необходимо выполнить условие насыщения открытого транзистора
. Для транзистораVT 2 без учета тока
перезаряда конденсатораток
. Следовательно, для транзистораVT 1 условие насыщения
, а для транзистораVT 2 —
.

Частота генерируемых импульсов
. Основным препятствием увеличения частоты генерирования импульсов является большая длительность фронта импульсов. Снижение длительности фронта импульса за счет уменьшения сопротивлений коллекторных резисторов может привести к невыполнению условия насыщения.

При большой степени насыщения в рассмотренной схеме мультивибратора возможны случаи, когда после включении оба транзистора насыщены и колебания отсутствуют. Это соответствует жесткому режиму самовозбуждения. Для предотвращения этого следует выбирать режим работы открытого транзистора вблизи границы насыщения, чтобы сохранить достаточный коэффициент усиления в цепи обратной связи, а также использовать специальные схемы мультивибраторов.

Если длительность импульса равна длительности, что обычно достигается при , то такой мультивибратор называетсясимметричным.

Длительность фронта генерируемых мультивибратором импульсов можно существенно уменьшить, если дополнительно ввести в схему диоды (рис. 6.18).

Когда, например, закрывается транзистор VT 2 и начинает увеличиваться коллекторное напряжение, то к диоду VD 2 прикладывается обратное напряжение, он закрывается и тем самым отключает заряжающийся конденсатор от коллектора транзистораVT 2 . В результате ток заряда конденсатора протекает уже не через резистор, а через резистор . Следовательно, длительность фронта импульса коллекторного напряжения
теперь определяется только процессом закрывания транзистора VT 2 . Аналогично работает и диод VD 1 при заряде конденсатора .

Хотя в такой схеме длительность фронта существенно уменьшена, время заряда конденсаторов, которое ограничивает скважность импульсов, практически не изменяется. Постоянные времени
и
не могут быть уменьшены за счет снижения. Резисторв открытом состоянии транзистора через открытый диод подключается параллельно резистору .В результате при
возрастает потребляемая схемой мощность.

Мультивибратор на интегральных схемах (рис. 6.19).Простейшая схема содержит два инвертирующих логических элемента ЛЭ1 и ЛЭ2 , две времязадающие цепочки
и
и диодыVD 1 , VD 2 .

В момент времени
и на выходеЛЭ2
. В результате на вход ЛЭ1 через конденсатор , который заряжен до напряжения
, подается напряжение иЛЭ1 переходит в состояние нуля
. Так как напряжение на выходе ЛЭ1 уменьшилось, то конденсатор начинает разряжаться. В результате на резисторе возникнет напряжение отрицательной полярности, откроется диод VD 2 и конденсатор быстро разрядится до напряжения
. После окончания этого процесса напряжение на входе ЛЭ2
.

Одновременно в схеме протекает процесс заряда конденсатора и с течением времени напряжение на входе ЛЭ1 уменьшается. Когда в момент времени напряжение
,
,
. Процессы начинают повторяться. Опять происходит заряд конденсатора , а конденсатор разряжается через открытый диод VD 1 . Поскольку сопротивление открытого диода намного меньше сопротивления резисторов , и, разряд конденсаторов и происходит быстрее, чем их заряд.

Напряжение на входе ЛЭ1 в интервале времени
определяется процессом заряда конденсатора :, где
;
– выходное сопротивление логического элемента в состоянии единицы;
;
, откуда
. Когда
, заканчивается формирование импульса на выходе элемента ЛЭ2 , следовательно, длительность импульса

.

Длительность паузы между импульсами (интервал времени от до ) определяется процессом заряда конденсатора , поэтому

.

Длительность фронта генерируемых импульсов определяется временем переключения логических элементов.

На временной диаграмме (рис. 6.20) амплитуда выходных импульсов не меняется:
, поскольку при ее построении не учитывалось выходное сопротивление логического элемента. С учетом конечности этого выходного сопротивления амплитуда импульсов будет изменяться.

Недостатком рассмотренной простейшей схемы мультивибратора на логических элементах является жесткий режим самовозбуждения и связанное с этим возможное отсутствие колебательного режима работы. Этот недостаток схемы можно исключить, если дополнительно ввести логический элемент И (рис. 6.21).

Когда мультивибратор генерирует импульсы, то на выходе ЛЭ3
, поскольку
. Однако вследствие жесткого режима самовозбуждения возможен такой случай, когда при включении напряжения источника питания из-за малой скорости нарастания напряжения ток заряда конденсаторов и оказывается небольшим. При этом падение напряжения на резисторах и может быть меньше порогового
и оба элемента(ЛЭ1 и ЛЭ2 ) окажутся в состоянии, когда напряжения на их выходах
. При таком сочетании входных сигналов на выходе элемента ЛЭ3 возникнет напряжение
, которое через резистор подается на вход элемента ЛЭ2 . Так как
, то ЛЭ2 переводится в состояние нуля и схема начинает генерировать импульсы.

Для построения генераторов прямоугольных импульсов наряду с дискретными элементами и ЛЭ в интегральном исполнении используются операционные усилители.

поэтому напряжение на инвертирующем входе
зависит не только от напряжения на выходе усилителя, но и является функцией времени, поскольку
.

На неинвертирующем входе действует положительное напряжение
. Напряжение
остается постоянным, а напряжение на инвертирующем входе
с течением времени увеличивается, стремясь к уровню
, поскольку в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .

Однако пока
, состояние усилителя определяет напряжение на неинвертирующем входе и на выходе сохраняется уровень
.

В момент времени напряжения на входах операционного усилителя становятся равными:
. Дальнейшее незначительное увеличение
приводит к тому, что дифференциальное (разностное) напряжение на инвертирующем входе усилителя
оказывается положительным, поэтому напряжение на выходе резко уменьшается и становится отрицательным
. Так как напряжение на выходе операционного усилителя изменило полярность, то конденсатор в дальнейшем перезаряжается и напряжение на нем, а также напряжение на инвертирующем входе стремятся к
.

В момент времени опять
и затем дифференциальное (разностное) напряжение на входе усилителя
становится отрицательным. Так как оно действует на инвертирующем входе, то напряжение на выходе усилителя скачком опять принимает значение
. Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменяется
. Конденсатор , который к моменту времени зарядился до отрицательного напряжения, опять перезаряжается и напряжение на инвертирующем входе возрастает, стремясь к
. Так как при этом
, то напряжение на выходе усилителя сохраняется постоянным. Как следует из временной диаграммы (рис. 6.23), в момент времени полный цикл работы схемы заканчивается и в дальнейшем процессы в ней повторяются. Таким образом, на выходе схемы генерируются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых при
равна
. Длительность импульсов (интервал времени
) определяется временем перезаряда конденсатора по экспоненциальному закону от
до
с постоянной времени
, где
– выходное сопротивление операционного усилителя. Поскольку во время паузы (интервал
) перезаряд конденсатора происходит в точно таких же условиях, что и при формировании импульсов, то
. Следовательно, схема работает как симметричный мультивибратор.

происходит с постоянной времени
. При отрицательном напряжении на выходе (
) открыт диодVD 2 и постоянная времени перезаряда конденсатора , определяющая длительность паузы,
.

Ждущий мультивибратор или одновибратор имеет одно устойчивое состояние и обеспечивает генерирование прямоугольных импульсов при подаче на вход схемы коротких запускающих импульсов.

Одновибратор на дискретных элементах состоит из двух усилительных каскадов, охваченных положительной обратной связью (рис. 6.25).

транзистора VT 1 зависит от коллекторного тока транзистора VT 2 . Такую схему называют одновибратором с эмиттерной связью. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы в исходном состоянии в отсутствие входных импульсов транзистор VT 2 был открыт и насыщен, а VT 1 находился в режиме отсечки. Такое состояние схемы, являющееся устойчивым, обеспечивается при выполнении условий:
.

Положим, что одновибратор находится в устойчивом состоянии. Тогда токи и напряжения в схеме будут постоянными. База транзистора VT 2 через резистор подключена к положительному полюсу источника питания, что в принципе обеспечивает открытое состояние транзистора. Для расчета коллекторного
и базового токов имеем систему уравнений

.

Определив отсюда токи
и , условие насыщения запишем в виде:

.

Если учесть, что
и
, тополученное выражение существенно упрощается:
.

На резисторе за счет протекания токов ,
создается падение напряжения
. В результате разность потенциалов между базой и эмиттером транзистораVT 1 определяется выражением:

Если в схеме выполняется условие
, то транзисторVT 1 закрыт. Конденсатор при этом заряжен до напряжения . Полярность напряжения на конденсаторе указана на рис. 6.25.

Когда транзистор VT 1 открывается, конденсатор оказывается подключенным к области база – эмиттер транзистора VT 2 таким образом, что потенциал базы становится отрицательным и транзистор VT 2 переходит в режим отсечки. Процесс переключения схемы носит лавинообразный характер, поскольку в это время в схеме выполняется условие самовозбуждения. Время переключения схемы определяется длительностью процессов включения транзистора VT 1 и выключения транзистора VT 2 и составляет доли микросекунды.

При закрывании транзистора VT 2 через резистор перестают протекать коллекторный и базовый токи VT 2 . В результате транзистор VT 1 остается в открытом состоянии даже после окончания входного импульса. В это время на резисторе падает напряжение
.

Состояние схемы, когда транзистор VT 1 открыт, а VT 2 закрыт, является квазиустойчивым. Конденсатор через резистор , открытый транзистор VT 1 и резистор оказывается подключенным к источнику питания таким образом, что напряжение на нем имеет встречную полярность. В схеме протекает ток перезаряда конденсатора , и напряжение на нем, а следовательно, и на базе транзистора VT 2 стремится к положительному уровню.

Изменение напряжения
носит экспоненциальный характер:, где
. Начальное напряжение на базе транзистораVT 2 определяется напряжением, до которого первоначально заряжен конденсатор и остаточным напряжением на открытом транзисторе:

Предельное значение напряжения, к которому стремится напряжение на базе транзистора VT 2 , .

Здесь учтено, что через резистор протекает не только ток перезаряда конденсатора , но и ток открытого транзистораVT 1 . Следовательно, .

В момент времени напряжение
достигает напряжения отпирания
и транзисторVT 2 открывается. Появившийся коллекторный ток создает дополнительное падение напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению напряжения
. Это вызывает уменьшение базового и коллекторноготоков и соответствующее увеличение напряжения
. Положительное приращение коллекторного напряжения транзистораVT 1 через конденсатор передается в цепь базы транзистора VT 2 и способствует еще большему нарастанию его коллекторного тока . В схеме опять развивается регенеративный процесс, оканчивающийся тем, что транзисторVT 1 закрывается, а транзистор VT 2 переходит в режим насыщения. На этом процесс генерирования импульса заканчивается. Длительность импульса определяется, если положить
: .

После окончания импульса в схеме протекает процесс заряда конденсатора по цепи, состоящей из резисторов
, и эмиттерной цепи открытого транзистора VT 2 . В начальный момент базовый ток транзистораVT 2 равен сумме токов заряда конденсатора : тока , ограниченного сопротивлением резистора
, и тока, протекающего через резистор . По мере заряда конденсатора ток уменьшается и соответственно снижается ток базы транзистораVT 2 , стремясь к стационарному значению, определяемому резистором . В результате в момент открывания транзистора VT 2 падение напряжения на резисторе оказывается больше стационарного значения, что приводит к увеличению отрицательного напряжения на базе транзистора VT 1 . Когда напряжение на конденсаторе достигает значения
схема переходит в исходное состояние. Длительность процесса дозаряда конденсатора , который называется этапом восстановления, определяется соотношением .

Минимальный период повторения импульсов одновибратора
, а максимальная частота
. Если интервал между входными импульсами окажется меньше, то конденсатор не успеет дозарядиться и это приведет к изменению длительности генерируемых импульсов.

Амплитуда генерируемых импульсов определяется разностью напряжений на коллекторе транзистора VT 2 в закрытом и открытом состояниях .

Одновибратор можно реализовать на базе мультивибратора, если одну ветвь обратной связи сделать не емкостной, а резисторной и ввести источник напряжения
(рис. 6.27). Такая схема называется одновибратором с коллекторно-базовыми связями.

К базе транзистора VT 2 приложено отрицательное напряжение и он закрыт. Конденсатор заряжен до напряжения
. В случае германиевых транзисторов
.

Конденсатор , исполняющий роль форсирующего конденсатора, заряжен до напряжения
. Это состояние схемы является устойчивым.

При подаче на базу транзистора VT 2 отпирающего импульса (рис. 6.28) в схеме начинают протекать процессы открывания транзистора VT 2 и закрывания транзистора VT 1 .

При переключении схемы формируется фронт выходного импульса, который обычно снимается с коллектора транзистора VT 1 . В дальнейшем в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .Напряжение на нем
, а следовательно, и напряжение на базе транзистора VT 1 изменяется по экспоненциальному закону
,где
.

Когда в момент времени напряжение на базе достигает значения
, транзистор VT 1 открывается, напряжение на его коллекторе
уменьшается и закрывается транзистор VT 2 . При этом формируется срез выходного импульса. Длительность импульса получим, если положить
:

.

Так как
, то . Длительность среза
.

В дальнейшем в схеме протекает ток заряда конденсатора через резистор
и базовую цепь открытого транзистораVT 1 . Длительность этого процесса, который определяет время восстановления схемы,
.

Амплитуда выходных импульсов в такой схеме одновибратора практически равна напряжению источника питания.

Одновибратор на логических элементах . Для реализации одновибратора на логических элементах обычно используют элементы И-НЕ. Структурная схема такого одновибратора включает два элемента (ЛЭ1 и ЛЭ2 ) и времязадающую цепочку
(рис. 6.29). Входы ЛЭ2 объединены, и он работает как инвертор. Выход ЛЭ2 соединен с одним из входов ЛЭ1 , а на другой его вход подается управляющий сигнал.

его входной цепи. Схема генерирует прямоугольный импульс при кратковременном уменьшении (момент времени ) входного напряжения
. Через интервал времени, равный
(не показан на рис. 6.29), на выходеЛЭ1 напряжение увеличится. Этот скачок напряжения через конденсатор передается на вход ЛЭ2 . Элемент ЛЭ2 переключается в состояние «0». Таким образом, на входе 1 ЛЭ1 через интервал времени
начинает действовать напряжение
и этот элемент останется в состоянии единицы, если даже по истечении времени
напряжение
опять станет равно логической «1». Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы длительность входного импульса
.

По мере заряда конденсатора выходной ток ЛЭ1 уменьшается. Соответственно уменьшается падение напряжения на :
. Одновременно несколько увеличивается напряжение
, стремясь к напряжению
, которое при переключенииЛЭ1 в состояние «1» было меньше
за счет падения напряжения на выходном сопротивлении ЛЭ1 . Это состояние схемы является временно устойчивым.

В момент времени напряжение
достигает порогового
и элементЛЭ2 переключается в состояние «1». На вход 1 ЛЭ1 подается сигнал
и он переключается в состояние лог. «0». При этом конденсатор , который в интервале времени от до зарядился, начинает разряжаться через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD 1 . По истечении времени , определяемого процессом разряда конденсатора , схема переходит в исходное состояние.

Таким образом, на выходе ЛЭ2 генерируется импульс прямоугольной формы. Длительность его, зависящая от времени уменьшения
до
, определяется соотношением
, где
– выходное сопротивлениеЛЭ1 в состоянии «1». Время восстановления схемы , где
– выходное сопротивление ЛЭ1 в состоянии «0»; – внутреннее сопротивление диода в открытом состоянии.

и напряжение на инвертирующем входе невелико:
, где
падение напряжения на диоде в открытом состоянии. На неинвертирующем входе напряжение также постоянное:
, и так как
, то на выходе поддерживается неизменное напряжение
.

При подаче в момент времени входного импульса положительной полярности амплитудой
напряжение на неинвертирующем входе становится больше напряжения на инвертирующем входе и выходное напряжение скачком становится равным
. При этом также скачком увеличивается напряжение на неинвертирующем входе до
. Одновременно диод VD закрывается, конденсатор начинает заряжаться и на инвертирующем входе растет положительное напряжение (рис. 6.32). Пока
на выходе сохраняется напряжение
. В момент времени при
происходит изменение полярности выходного напряжения и напряжение на неинвертирующем входе принимает исходное значение, а напряжение начинает уменьшаться по мере разряда конденсатора .

Так как
, то
.

Время восстановления схемы определяется длительностью процесса разряда конденсатора от
до
и с учетом принятых допущений
.

Генераторы на операционных усилителях обеспечивают формирование импульсов амплитудой до десятков вольт; длительность фронтов зависит от полосы частот операционного усилителя и может составлять доли микросекунды.

Блокинг-генератором называется генератор импульсов релаксационного типа в виде однокаскадного усилителя с положительной обратной связью, создаваемой с помощью трансформатора. Блокинг-генератор может работать в ждущем и автоколебательном режимах.

Ждущий режим работы блокинг —генератора. При работе в ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние и генерирует импульсы прямоугольной формы, когда на вход поступают запускающие импульсы. Устойчивое состояние блокинг-генератора на германиевом транзисторе осуществляется путем включения источника смещения в базовую цепь. При использовании кремниевого транзистора источник смещения не требуется, поскольку транзистор при нулевом напряжении на базе закрыт (рис. 6.33).

базовое напряжение уменьшается. Такая связь реализуется путем соответствующего подключения начала обмоток трансформатора (на рис. 6.33, показаны точками).

В большинстве случаев трансформатор имеет третью (нагрузочную) обмотку, к которой подключается нагрузка .

Напряжения на обмотках трансформатора и токи, протекающие в них, связаны между собой следующим образом:
,
,
,
где
,
– коэффициенты трансформации;
– число витков первичной, вторичной и нагрузочной обмоток соответственно.

Длительность процесса включения транзистора настолько мала, что за это время ток намагничивания практически не нарастает (
). Поэтому уравнение токов при анализе переходного процесса включения транзистора упрощается:
.

тока базы
и действительного тока, протекающего в цепи базы транзистора,
.

Таким образом, первоначальное изменение тока базы
в результате процессов, протекающих в схеме, приводит к дальнейшему изменению этого тока
, и если
, то процесс изменения токов и напряжений носит лавинообразный характер. Следовательно,условие самовозбуждения блокинг-генератора:
.

В отсутствие нагрузки (
) это условие упрощается:
. Так как
, то условие самовозбуждения в блокинг-генераторе выполняется довольно легко.

Процесс открывания транзистора, сопровождающийся формированием фронта импульса, заканчивается, когда он переходит в режим насыщения. При этом перестает выполняться условие самовозбуждения и в дальнейшем формируется вершина импульса. Так как транзистор насыщен:
, то к первичной обмотке трансформатора оказывается приложенным напряжение
и приведенные базовый ток
, а также ток нагрузки
, оказываются постоянными. Ток намагничивания при формировании вершины импульса может быть определен из уравнения
, откуда при нулевых начальных условиях получим
.

Таким образом, ток намагничивания в блокинг-генераторе, когда транзистор насыщен, нарастает во времени по линейному закону. В соответствии с уравнением токов также по линейному закону увеличивается коллекторный ток транзистора
.

С течением времени степень насыщения транзистора уменьшается, так как базовый ток остается постоянным
, а коллекторный ток нарастает. В некоторый момент времени коллекторный ток увеличивается настолько, что транзистор переходит из режима насыщения в активный режим и опять начинает выполняться условие самовозбуждения блокинг-генератора. Очевидно, что длительность вершины импульса определяется временем, в течение которого транзистор находится в режиме насыщения. Границе режима насыщения соответствует условие
. Следовательно,
.

Отсюда получаем формулу для расчета длительности вершины импульса:

.

Ток намагничивания
во время формирования вершины импульса увеличивается и в момент окончания этого процесса, т. е. при
, достигает значения
.

Так как к первичной обмотке импульсного трансформатора при формировании вершины импульса приложено напряжение источника питания , то амплитуда импульса на нагрузке
.

При переходе транзистора в активный режим происходит уменьшение коллекторного тока
. Во вторичной обмотке индуцируется напряжение, приводящее к уменьшению напряжения и тока базы, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее снижение коллекторного тока. В схеме развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор переходит в режим отсечки и формируется срез импульса.

Протекающий лавинообразно процесс закрывания транзистора имеет столь малую длительность, что ток намагничивания за это время практически не изменяется и остается равным
. Следовательно, к моменту закрывания транзистора в индуктивности запасена энергия
. Эта энергия рассеивается только в нагрузке, так как коллекторная и базовая цепи закрытого транзистора оказываются разомкнутыми. Ток намагничивания при этом уменьшается по экспоненте:
, где
– постоянная времени. Протекающий через резистор ток создает обратный выброс напряжения на нем, амплитуда которого
, что также сопровождается всплеском напряжения на базе и коллекторе закрытого транзистора
. Воспользовавшись найденным ранее соотношением для
, получим:

,

.

Процесс рассеяния запасенной в импульсном трансформаторе энергии, определяющий время восстановления схемы , заканчивается через интервал времени
, после чего схема переходит в исходное состояние. Дополнительный всплеск коллекторного напряжения
может быть значительным. Поэтому в схеме блокинг-генератора принимаются меры к снижению величины
, для чего параллельно нагрузке или в первичную обмотку включают демпфирующую цепь, состоящую из диода VD 1 и резистора , сопротивление которого
(рис. 6.33). При формировании импульса диод закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности, и демпфирующая цепь не оказывает влияния на процессы в схеме. Когда при закрывании транзистора в первичной обмотке возникает всплеск напряжения, то к диоду прикладывается прямое напряжение, он открывается и ток протекает через резистор . Так как
, то всплеск коллекторного напряжения
и обратный выброс напряжения на существенно уменьшаются. Однако при этом возрастает время восстановления:
.

Не всегда последовательно с диодом включают резистор , и тогда амплитуда всплеска оказывается минимальной, но увеличивается его длительность.

импульсов. Процессы, протекающие в схеме, рассмотрим, начиная с момента времени , когда напряжение на конденсаторедостигает значения
и транзистор откроется (рис. 6.36).

Поскольку напряжение на вторичной (базовой) обмотке во время формирования вершины импульса остается постоянным
, то по мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается по экспоненциальному закону
, где
– сопротивление области база – эмиттер насыщенного транзистора;
– постоянная времени.

В соответствии с уравнением токов коллекторный ток транзистора определяется выражением
.

Из приведенных соотношений следует, что в автоколебательном блокинг-генераторе во время формирования вершины импульса изменяются и базовый и коллекторный токи. Как видно, базовый ток с течением времени уменьшается. Коллекторный ток в принципе может и нарастать, и уменьшаться. Все зависит от соотношения между первыми двумя слагаемыми последнего выражения. Но если даже коллекторный ток и уменьшается, то медленнее, чем базовый ток. Поэтому при уменьшении базового тока транзистора наступает момент времени , когда транзистор выходит из режима насыщения и процесс формирования вершины импульса заканчивается. Таким образом, длительность вершины импульса определяется соотношением
. Тогда можно записать уравнение токов для момента окончания формирования вершины импульса:

.

После некоторых преобразований имеем
. Полученное трансцендентное уравнение можно упростить при условии
. Воспользовавшись разложением в ряд экспоненты и ограничившись первыми двумя членами
, получим формулу для расчета длительности вершины импульса
, где
.

Во время формирования вершины импульса за счет протекания базового тока транзистора напряжение на конденсаторе изменяется и к моменту закрывания транзистора оно становится равным
. Подставив в это выражение значение
и проинтегрировав, получим:

.

При переходе транзистора в активный режим работы снова начинает выполняться условие самовозбуждения и в схеме протекает лавинообразный процесс его закрывания. Как и в ждущем блокинг-генераторе, после закрывания транзистора протекает процесс рассеяния запасенной в трансформаторе энергии, сопровождающийся появлением всплесков коллекторного и базового напряжений. После окончания этого процесса транзистор продолжает находиться в закрытом состоянии благодаря тому, что к базе прикладывается отрицательное напряжение заряженного конденсатора . Это напряжение не остается постоянным, поскольку в закрытом состоянии транзистора через конденсатор и резистор протекает ток перезаряда от источника питания . Поэтому по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора увеличивается по экспоненциальному закону
, где
.

Когда напряжение на базе достигает значения
, транзистор открывается и опять начинается процесс формирования импульса. Таким образом, длительность паузы, определяемая временем нахождения транзистора в закрытом состоянии, может быть рассчитана, если положить
. Тогда получим
.Для блокинг-генератора на германиевом транзисторе полученная формула упрощается, поскольку
.

Блокинг-генераторы имеют высокий коэффициент полезного действия, так как в паузе между импульсами ток от источника питания практически не потребляется. По сравнению с мультивибраторами и одновибраторами они позволяют получить большую скважность и меньшую длительность импульсов. Важным достоинством блокинг-генераторов является возможность получения импульсов, амплитуда которых больше напряжения источника питания. Для этого достаточно, чтобы коэффициент трансформации третьей (нагрузочной) обмотки
. В блокинг-генераторе при наличии нескольких нагрузочных обмоток можно осуществить гальваническую развязку между нагрузками и получать импульсы разной полярности.

Схема блокинг-генератора не реализуется в интегральном исполнении из-за наличия импульсного трансформатора.

В электронной технике широко применяются устройства, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Такие колебания называют релаксационными, мультивибратор представляет собой разновидность одного из релаксационных генераторов. Мультивибратор (от латинских слов multim — много и vibro — колебание) — релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).

Генераторы импульсных сигналов могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем или синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал по приходу внешнего (запускающего) импульса. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Сущность работы мультивибратора — переключение энергии конденсатора C с заряда на разряд, от источника питания к резистору R . Это переключение осуществляется с помощью электронных ключей.

Мультивибратор можно построить на базе биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, таймеров, выполненных в виде интегральных микросхем, потенциальных логических элементов или специализированных интегральных микросхем. Последний вариант получает все большее распространение.

Генераторы импульсов на операционных усилителях. На рис. 16.7 показан классический релаксационный R С -генератор. Работает он таким образом: допустим, что когда впервые прикладывается напряжение, выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет — неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения U ВХ ВЫКЛ спостоянной времени, равной τ = RC .Когда напряжение конденсатора достигнет напряжения U ВХ ВЫКЛ R 1 / (R 1 + R 2 ), ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта) и конденсатор начинает разряжаться до U ВХ ВКЛ R 1 /(R 1 + R 2 ), с той же самой постоянной времени. Цикл повторяется с не зависящим от напряжения питания периодом (рис. 16.8): T = В случае использования вместо резистора R двух разных резисторов и диодов можно построить несимметричный мультивибратор (рис.16.9), у которого длительности положительного и отрицательного импульсов не совпадают.

Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечивается различными постоянными времени перезаряда емкостей τ 1 и τ 2 : τ 1 = R 3 C; и τ 2 =R 4 C. (16.8)

Рис. 16.7. Генератор прямоугольных импульсов на ОУ

Рис.16.8. Временные диаграммы работы генератора

Функциональные генераторы , которые одновременно вырабатывают колебания различных видов: прямоугольные, треугольные, синусоидальные, можно реализовать на ОУ. Генерация переменного напряжения треугольной формы осуществляется по простой схеме с помощью интегратора и триггера Шмитта. В свою очередь, используя простой блок формирования синусоидальной функции (например, фильтр нижних частот) из треугольного напряжения можно получить синусоидальное. Структурная схема такого генератора изображена на рисунок 16.10.

Рис. 16.11. Принципиальная схема функционального генератора

Амплитуда треугольного напряжения зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта и составляет

U D = U макс

где Uмакс- граница насыщения операционного усилителя DA1. Период колебаний равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменялось от до. Отсюда следует: Т = 4RCТаким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня границы насыщения Uмакс операционного усилителя.

Одновибратор — это мультивибратор в ждущем режиме. Исходя из функциональных признаков, одновибратору часто присваивают и другие названия: спусковая система, заторможенный мультивибратор, однотактный релаксатор и др. Однако независимо от названия одновибратор представляет собой устройство с положительной обратной связью, имеющее одно устойчивое и одно временно-устойчивое состояние, формирующие одиночный прямоугольный импульс.

Формирование импульса прямоугольной формы осуществляется одновибратором после поступления запускающего импульса, который переводит одновибратор из устойчивого состояния во временно устойчивое. Момент окончания временно устойчивого состояния определяется времязадающей цепочкой. Изменяя постоянную времени цепочки (плавно или скачком), можно регулировать длительность выходных импульсов в широких пределах. Поэтому одновибраторы широко применяются для формирования прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды и для задержки импульсов на заданное время.

Одновибратор может быть получен из автоколебательного мультивибратора, если его принудительно запереть в одном из временно устойчивых состояний, превратив его в устойчивое (рис. 16.12).

В схему введены диод VD2, осуществляющий ждущий режим и цепь запуска на элементах С1, R3, VD1. Схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе равно отрицательному напряжению насыщения ОУ U- .

В исходном состоянии (на выходе U-) диод VD2 открыт, напряжение на инвертирующем входе UИ примерно равно нулю, а напряжение на неинвертирующем входеUН = U- R2 / (R1 + R2), UН — UИ

Рис.16.13. Временные диаграммы работы одновибратора

Простые схемы генератора импульсов 555 | Протестировано

Это схема генератора импульсов или стандартный генератор нестабильного мультивибратора или цепь свободного хода с использованием таймера IC555, NE555, LM555. Мы используем его для цифровых логических схем. IC-555 — популярный простой в использовании небольшой размер с 8 контактами. Он сочетает в себе аналоговый и цифровой чип . Для базового использования требуется источник напряжения от 5 до 15 В, максимальное напряжение питания от 16 до 18 В, потребление тока около 10 мА, максимальный выходной ток составляет 200 мА.Максимальная выходная частота составляет 500 кГц.

Есть много способов использования IC555. Мы можем использовать их в трех различных типах генераторов:
(1) Астабильный мультивибраторный генератор
Если частота превышает 1 цикл в секунду, это генератор (генератор импульсов или генератор прямоугольных импульсов).
Но частоты ниже 1 цикла в секунду — это ВРЕМЕННАЯ ЗАДЕРЖКА.
(2) Моностабильный (ONE SHOT) изменяет состояние только один раз за импульс запуска
(3) Генератор, управляемый напряжением (VCO)

Теперь мы узнаем о генераторе импульсов с IC-555 ниже базовой схемы.

Простой таймер 555 схема нестабильного генератора

В схеме выше. Сначала ток от источника питания течет к конденсатору C1 заряжается через резистор R1 и R2, затем напряжение в конденсаторе достигает 2/3 напряжения питания, контакт 6 определяет это напряжение, что приводит к отключению контакта 7. это напряжение на землю (0 В).
Таким образом, конденсатор C1 разряжается через резистор R2 до тех пор, пока его напряжение не станет 1/3 напряжения питания, и контакт 2 обнаружит это напряжение, а контакт 7 не подключится (выключится).C1 будет заряжаться, и напряжение на нем снова возрастет, чтобы повторить цикл.

Верхний резистор предотвращает повреждение контакта 7, поскольку он замыкается на 0 В, когда контакт 6 обнаруживает 2/3 напряжения питания.
Его сопротивление меньше, чем R2, и не влияет на синхронизацию генератора.

Выходная частота будет примерно 1 кГц, а рабочий цикл 50-50,
Частотный выход (F) = 1 / {(R1 + 2R2) * C1}.

Единицы измерения в формуле: омы, фарады, секунды и герцы.Эта формула намного проще, чем у предыдущей схемы.

Предположим, что R1 = 1 кОм, R2 = 10 кОм и C = 0,1 мкФ Результат примерно 900 Гц

R1: 100 кОм 1 / 4Вт Допуск резисторов: 5%
VR1: 1M Potmeter
C1, C2 : 0,01 мкФ 50 В керамические конденсаторы
IC1: NE555 Таймер

Мы используем простую идею генератора импульсов 555 для построения многих схем, например, ниже

High Power 555 Pulse Generator

Если вы ищете импульсный генератор высокого тока.Это схема генератора импульсов большой мощности, которая может вам понравиться.

Основным компонентом которого является таймер IC-555 в качестве генератора, а LM350T обеспечивает высокий ток до 3А макс.

Как это работает

Как вы видите в Simple Pulse Generator . Который имеет нормальный ток не более 200 мА.

Однако вы можете увеличить ток на выходе до 3 А.

В первый раз мы думаем использовать силовой транзистор-2N3055 (популярный компонент во все времена) для увеличения тока.

Но у нас есть лучший выбор — использовать другую микросхему, LM350T. Это стабилизатор постоянного тока на ток 3А, поэтому производительность точно выше, чем у 2N3055.

На рисунке ниже мы все еще используем NE555 в качестве интегральной схемы для генерации прямоугольного осциллятора.

Что мы можем отрегулировать частотный выход с вращением VR1-100K. Затем сигнал, поступающий с выходного вывода, поступает на предварительный драйвер, транзистор В-2N2222. Для управления настройкой работает отвод IC LM350T.

Пока на выходе выходит высокое напряжение, в сильноточных импульсах около 3А.

Таким образом, друзья меняют значение R5 для управления уровнем выходного напряжения с минимального 1,25 В на высокое напряжение около 15 В.

Из-за того, что в этой схеме используется вход (напряжение источника питания около 5 В — 15 В)

Другие идеи, если вы хотите, чтобы ток был всего 1 А на выходе. Можно использовать LM317T, что дешевле LM350T.

Частота управления генератором импульсов с использованием цифровой микросхемы

Эта схема создает непрерывный импульсный сигнал. Мы называем это схемой Astable Multi Vibrator.Таймер 555-IC1 работает с VR1, R1, R2 и CT. Значение ТТ при выборе схемы электронного переключателя IC2 номер 4066. Электронный переключатель с 4 встроенными IC 2.

Управляющий электрический контакт переключает (ВКЛ.), Входное напряжение положительное или логическая «1» для штифт управления. Штифт 13, 5, 6 или 12.

Если управляющий штифт заземлен. Переключатель выключен (ВЫКЛ). Переключает каждый, чтобы отделить работу независимо, не сортировать.
И вход (IN), и выход (OUT) могут быть взаимозаменяемыми.

Следовательно, разумно переключить значение C values. С входным сигналом в логику цифровых схем, двоичный код равен «0» на «1».

Когда я включаю управление логической «1», электрическим контактом переключателя, затем нажимаю на него. Конденсатор, подключенный к контакту переключателя, подключен к контактам 2 и 6 микросхемы IC1. Чтобы определить частоту с помощью VR1, R1 и R2.

Иногда это может быть управляющая логика «1», а не вывод. Делает конденсатор подключенным параллельно, а не как вариант.Емкость будет увеличена. Введение C. вместе. Схема может уменьшать или увеличивать значение R1, R2. Или для удобства можно вообще отрегулировать сопротивление VR1. Сигнальный импульс отправляется на контакт 3 выходного сигнала IC1. Чтобы войти в схему, например, подсчитать схему, разделить или подключиться к динамику. Чтобы издать звук или сигнал.

Схема звукового сигнала опасности с использованием IC-555

Генератор тональных пакетов с использованием LM555

Раздражающий генератор шума с высоким тоном с использованием IC-555

1. Аудиогенератор управляется светом
2. Схема постукивания кода Морзе
3. 555 таймер звуковых сигнальных цепей

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Простой генератор импульсов с малым счетчиком деталей

Аннотация: Используя несколько операционных усилителей и несколько внешних компонентов, вы можете создать генератор импульсов с регулируемой частотой и скважностью.

Рисунок 1.Этот простой и универсальный генератор импульсов включает всего 15 компонентов.

U1 и Q1 образуют генератор, управляемый напряжением (ГУН) с прямоугольным и треугольным выходами. Прямоугольная волна используется для управления зарядом и разрядом интегрирующего конденсатора C1, а также полезна в качестве выхода синхросигнала. Треугольная волна управляет неинвертирующим входом контроллера рабочего цикла U2-2. R2 полностью регулирует рабочий цикл выхода (от 0% до 100%), управляя инвертирующим входом U2-2.U2-2 напрямую генерирует выходной сигнал.

U2-1 буферизует напряжение стеклоочистителя R1, которое регулирует частоту ГУН. Изменение напряжения питания (V +) изменяет размах выходного сигнала, не влияя на выходную частоту или рабочий цикл, и схема работает одинаково хорошо как с одним, так и с двумя источниками. Показанный диапазон частот составляет от 20 Гц до 13 кГц, но вы можете изменить этот диапазон, изменив значение C1. Двойные операционные усилители (предназначенные для управления усилителями мощности) выбраны из-за их высокой выходной мощности, возможности прямого ввода-вывода, работы с одним источником питания и исключительной разомкнутой цепи.

Аналогичная версия этой статьи появилась в номере журнала EET от 20 января 2003 года.

maxim_web: ru / products / аналоговые / усилители

maxim_web: ru / products / аналоговые / усилители

Простой и компактный генератор однократных импульсов обеспечивает точную синхронизацию от 1 мкс до 33.6s

Linear Technology объявляет LTC6993, точный и крошечный «одноразовый» генератор импульсов, последний представитель семейства TimerBlox ^™ . таймеры. Одноразовая функция, также известная как моностабильная мультивибратор, полезен для точной синхронизации событий, обнаружения фронтов, и частотная дискриминация. LTC6993 реализует простой, так как он программируется с использованием всего нескольких резисторов. В диапазон программируемости позволяет LTC6993 работать от 1 мкс до 33,6 секунды, охват 25 октав.

Доступны четыре версии LTC6993 с возможностью выбора полярности триггера нарастающего и спадающего фронта, а также повторного запуска возможности. При повторном запуске выходной импульс удлиняется на несколько триггеров ввода. Без перезапуска выходной импульс игнорирует несколько триггеров ввода и может быть инициирован только тогда, когда выход не активен. Каждый LTC6993 можно настроить для генерации логические высокие или низкие выходные импульсы. Таким образом, семейство LTC6993 охватывает всего восемь логических функций для обеспечения гибкости и простота использования.Кроме того, ширина выходного импульса LTC6993 может можно динамически регулировать с помощью отдельного управляющего напряжения.

LTC6993 является частью семейства универсальных микросхем TimerBlox. синхронизирующие устройства, в которых установлен точный программируемый осциллятор. в сочетании с прецизионной схемой и логикой. Конденсаторов нет, нет кристаллы, микроконтроллер и программирование не требуются. Устройства TimerBlox являются твердотельными и могут работать при высоких ускорение, вибрация и экстремальные температуры. Они предлагают выше точность, стабильность и более низкое энергопотребление, чем обычно генераторы на основе резисторов / конденсаторов.Источник и приемник 20 мА возможность позволяет напрямую управлять оптоизоляторами и трансформаторы для гальванической развязки. Полностью указано на диапазон температур от –40 ° C до 125 ° C, детали TimerBlox подходит для требовательных автомобильных и промышленных сред, где многие генераторы и микроконтроллеры не работают. В небольшая площадь основания SOT23 позволяет разместить каждое устройство синхронизации на точки использования, без маршрутизации сигналов на большие расстояния, и обеспечивает идеальный таймер для приложений с ограниченным пространством, таких как карманные и портативные устройства.

«LTC6993 был разработан, чтобы быть гибким и простым». говорит Дуг ЛаПорте, менеджер по дизайну Linear Technology. «Это позволяет точный одиночный выстрел, который можно добавить практически к любой трассе с легкость »

LTC6993 уже доступен по цене от 1,35 доллара США за штуку. Количество 1000 штук. Для получения дополнительной информации посетите www.linear.com/product/LTC6993.

Обзор функций: LTC6993

• Диапазон длительности импульса: от 1 мкс до 33,6 с
• Простая настройка с использованием от 1 до 3 резисторов
• Максимальная ошибка ширины импульса:
  • <2.3% для длительности импульса> 512 мкс
  • <3,4% для длительности импульса от 8 мкс до 512 мкс
  • <4,9% для длительности импульса 1 мкс - 8 мкс
• Доступны четыре варианта LTC6993:
  • Триггер по восходящей или нисходящей кромке
  • С повторным запуском или без повторного запуска
• Настраивается на положительный или отрицательный выходной импульс
• Время быстрого восстановления
• 500 мкс Время запуска
• Потребляемый ток от 55 мкА до 125 мкА
• 2.От 25 В до 5,5 В при однополярном питании
• Выходной драйвер CMOS Источники / приемники 20 мА
• -> 40 ° C до 125 ° C Диапазон рабочих температур
• Низкопрофильный ThinSOT ^™ и 2 мм × 3 мм DFN

Генератор однократных импульсов с возможностью программирования от 1 мкс до 34 с

| Hackaday

Бывают моменты, когда вы прилагаете усилия, чтобы выполнить превосходную работу при создании электронного проекта. Вы тщательно выбираете компоненты, разрабатываете идеальную печатную плату и ждете, пока все части соберутся вместе, поскольку они приходят по почте один за другим.Затем вы создаете его с нежной заботой и вниманием, печатая паяльную пасту и размещая компоненты вручную, уделяя особое внимание деталям. Затем следует тревожное ожидание у печи оплавления, пока таинственные облака дыма поднимаются к датчику дыма, прежде чем вы удалите свою партию идеальных плат и дождитесь, пока они остынут.

Кроме того, бывают случаи, когда вам нужно устройство, но вы слишком нетерпеливы, чтобы ждать, и в любом случае у вас есть только половина компонентов и куча мусора.Итак, вы вместе взламываете что-нибудь неприятное на медной заземляющей пластине лишнего прототипа печатной платы за вечер с «прицелом и паяльником». Это никоим образом не красиво, но работает, поэтому вы используете его и продолжаете жить своей жизнью.

Если вы пишете Hackaday и имеете возможность измерить некоторую полосу пропускания осциллографа, вам понадобится пикосекундный генератор лавинных импульсов, и он нужен быстро. К счастью, это очень простая схема с одним транзистором 2N3904, но загвоздка в том, что они нуждаются в высоковольтном источнике питания, превышающем 100 В.Таким образом, задача состоит не в создании генератора импульсов, а в создании его источника питания.

Для нашего генератора импульсов нам не хватало удобного переключателя Linear Technologies, который использовался в проекте генератора лавинных импульсов, который мы копировали. Пришло время немного вернуться к основам создания обратного источника питания, ограбив лишний блок питания ATX для его базового трансформатора, высоковольтного диода и конденсатора и пропустив его через выходной транзистор линии CRT, питаемый двухтранзисторным нестабильным мультивибратором . Удивительно, но это сработало, и когда выходное напряжение было настроено чуть выше 150 В, генератор импульсов начал колебаться, как и должен.

Мы уже однажды изучали генераторы лавинных импульсов здесь, в Hackaday, а совсем недавно мы представили один, используемый для измерения скорости света. Мы воспользуемся этим завтра для «сравнения масштабов».

— аккуратная небольшая схема генератора импульсов. Мне нравится

Обновление (11 октября 2015 г.): Я добавил свой файл схемы и список соединений на случай, если вы захотите поиграть с этой схемой в вашей локальной установке LTSpice. Это бесплатно, так что можете и вы!

Я медленно изучал книгу Горовица и Хилла « Art of Electronics», 3-е издание , чтобы освежить и отточить свои знания в области аналоговой электроники.Большая часть моей профессиональной жизни связана с сборкой сложных микросхем, и мало о строительных блоках электронных схем. Я подумал, что возьму более поучительные примеры из AoE и опубликую их здесь. Ожидайте сухую прозу, несколько нацарапанных заметок на инженерной бумаге и, возможно, симуляцию или две, как я считаю нужным. (Сейчас я использую LTSpice для Mac, но я не в восторге от него. Есть предложения ?!)

Простой генератор импульсов

Рисунок 1: Генератор импульсов

Цель этой схемы — обеспечить быстрый импульс на выходе Vout, когда он стимулируется нарастающим фронтом на Vin.

### Примечания к условиям постоянного тока

• Q1 выключен, что означает, что V _Q1-C фактически составляет 5 В.
• Q2, однако, продолжается. Это помещает V _Q2-B примерно на 0,7 В и V _Q2-C / V _Out на землю.
• Обратите внимание, что состояния включения / выключения Q1 и Q2 в совокупности создают напряжение около 4,3 В на C1.

### Анализ переменного тока Предположим, мы стимулируем V _в с нарастающим фронтом 5 В. Это включит Q1, скорость которого ограничена только временем включения этого транзистора.Важно выбрать R1 таким образом, чтобы можно было гарантировать, что Q1 входит в состояние насыщения; мы хотим, чтобы этот транзистор был включен, когда V _в достигает высокого уровня!

Это быстрое включение Q1 приведет к заземлению напряжения коллектора V _Q1-C . Обратите внимание на состояние постоянного тока C1 — он все еще сохраняет заряд ~ 4,3 В, который он получил, когда схема была в устойчивом состоянии. В результате V _Q2-B теперь составляет -4,3 В, отключая Q2 и выводя V _Out на +5 В. Вы заметите, что, когда V _Q1-E находится на земле, комбинация R3 и C1 эффективно образуют RC-цепь с начальным состоянием V _C1 = -4.{\ frac {t} {\ tau}} \] \ [ln \ big (\ frac {1} {0.462} \ big) = \ frac {t} {\ tau} \ Rightarrow ln \ big (\ frac {1 } {0,462} \ big) * \ tau = t = 0,722 \ tau \] \ [0,722 \ tau \ приблизительно R3C1 \]

По сути, это показывает нам, что мы можем установить время включения импульса с помощью R ₃ и C ₁ аналогичны выбору значений для RC-цепи. Прохладный!

Примечания к характеристикам переменного тока

Первое, что предполагает эта схема, это то, что V _в будет двигаться высоко и оставаться на высоком уровне. Что произойдет, если входной импульс будет короче, чем R3 * C1?

Рис. 2: Выход генератора импульсов, где Vin выше, чем Tau

Моделирование выше показывает LTSpice-представление того, что происходит с этой схемой, когда входной импульс меньше постоянной времени.Выходной импульс поочередно укорачивается — как только Q1 вернется в нормальное выключенное состояние, заряд C1 будет поляризован в направлении, противоположном установившемуся состоянию постоянного тока. Это просто поможет шине 5 В поддерживать Q2 включенным и сократить выходной импульс. Что, если нам нужен импульс на V _из , который всегда имеет длину R3 * C1? Нам нужно отделить вывод от ввода. Это легко достигается с помощью другого транзистора, который контролирует выход схемы.

Рисунок 3: Генератор импульсов с гарантированной шириной импульса

Q3 служит для удержания V _Q1-C на земле после обнаружения нарастающего фронта у основания Q1.Пока длительность входного импульса равна времени включения Q1, схема будет работать правильно. Это связано с тем, что после того, как Q1 успешно подключил V _Q1-C к земле, Q3 также будет включен, обеспечивая другой путь для цепи R3 / C1, которая будет удерживаться на земле. На рисунке 4 показано это улучшение ширины выходного импульса.

Рис. 4. Выход генератора импульсов с гарантированной выходной шириной

Добавление Q3 сделало работу схемы немного легче прогнозируемой, поскольку мы можем изменять ширину импульса, изменяя значения C1 и R3.Однако это была не серебряная пуля. На рисунке 4 показано, что задний фронт импульса не такой резкий, как нарастающий. В начале спадающего фронта есть отчетливо закругленный угол, который является результатом неторопливого перехода напряжения с R3 / C1 через напряжение включения Q3. Мы мало что можем сделать с этой схемой, чтобы ускорить этот переход, не влияя на ширину импульса. Вместо этого нам нужно будет изменить силу выходного диска с помощью еще одного небольшого дополнения.

Рисунок 5: Выход генератора импульсов с выходом триггера Шмитта

Этот выходной каскад представляет собой триггер Шмитта, который представляет собой удобную небольшую схему для очистки медленных или шумных переходов фронта.Переход к моделированию показывает, что это помогло нам:

Рисунок 5: Выход генератора импульсов с выходом триггера Шмитта

Это все хорошо, но вы никогда не будете использовать эту схему в реальном приложении. Почему? Мощность! Проверить ток только через R8. Пиковая мощность этой единственной цепи составляет около 9 мА, пока включен Q5. Большинство современных ИС потребляют намного меньше тока, чем 9 мА. Многие современные устройства DRAM — компоненты с миллиардами транзисторов — в состоянии самообновления потребляют менее 100 микроампер.При этом это забавная небольшая трасса, которую довольно легко построить для поучительных целей.

Благодарности

Я извлек эту схему и ее улучшения из превосходной книги Горовица и Хилла Art of Electronics, 3rd Edition . Вы можете проверить это на странице 77.

| Недорогой программируемый генератор импульсов для физиологии и поведения

Введение

Шаблонные последовательности импульсов напряжения обычно используются в неврологических исследованиях для точного управления изоляторами стимулов (Flaherty and Graybiel, 1994; Bisley et al., 2001; Коэн и Ньюсом, 2004; Histed et al., 2009), источники света для оптогенетических манипуляций (Boyden et al., 2005; Cardin et al., 2009), сенсорные стимулы (Soto-Faraco et al., 2002) и для синхронизации событий между инструментами (Nikolic и др., 2009). Последовательности импульсов также могут быть вызваны определенной экспериментальной непредвиденной ситуацией, обеспечивая обратную связь с обратной связью с малой задержкой (Girardeau et al., 2009; Venkatraman et al., 2009; Berényi et al., 2012; Newman et al., 2013). . Лабораторные инструменты, специализированные для этих целей, коммерчески доступны, например Master 8 (AMPI), PSG-2 (ISSI), Pulsemaster A300 (WPI), BPG-1 (Bak Electronics), StimPulse PGM (FHC Inc.) и Multistim 3800 (A-M Systems). Коммерческие решения получили широкое распространение, однако их стоимость является ограничением в исследовательских и образовательных учреждениях при ограниченном финансировании. В качестве проприетарных инструментов исследователи также не могут добавлять аппаратные или программные функции, которые соответствовали бы их уникальным потребностям: например, для реализации настраиваемого набора правил запуска в микропрограммном обеспечении или для разработки интерфейса для устройства на желаемом языке программирования. Такая гибкость может быть особенно полезной для экспериментального проектирования в системной нейробиологии, где интеграция настраиваемых инструментов часто используется для измерения и контроля поведения (Brunton et al., 2013), собирают нейронные данные (Yamamoto, Wilson, 2008; Karlsson, Frank, 2009) и стимулируют мозг как электрически (O’Doherty et al., 2009), так и оптически (O’Connor et al., 2013).

Чтобы удовлетворить эти потребности, мы разработали Pulse Pal (рис. 1), генератор последовательности импульсов с открытым исходным кодом, который стоит ~ 210 долларов США в виде легко доступных деталей, с основными функциональными возможностями, сопоставимыми с коммерческими стимуляторами.

Рис. 1. Pulse Pal — это программируемый генератор последовательности импульсов.(A) Pulse Pal, вид спереди, иллюстрирующий элементы передней панели. 1: Высококонтрастный OLED-экран позволяет программировать с помощью большого пальца джойстика для автономного использования. 2: Изготовленный на заказ акриловый корпус, вырезанный лазером. 3: Два оптически изолированных цифровых канала запуска. 4: Большой джойстик. 5: Крыло для монтажа в стойку. 6: Индикаторы активности канала загораются, когда напряжение канала не соответствует установленному напряжению покоя (т. Е. Во время импульса). 7. Каждый из четырех аналоговых выходных каналов может быть запрограммирован на независимые последовательности импульсов и связан с любым каналом запуска. (B – E) Пример последовательности импульсов черного цвета, полученных с помощью осциллографа (см. Методы). Кривые напряжения запуска показаны красным. (B) Выходной канал Pulse Pal, сконфигурированный для выдачи последовательности прямоугольных импульсов 5 В, 100 мкс с интервалами 200 мкс. (C) Последовательность двухфазных импульсов +/- 5 В 100 мкс, программно стробированных для создания пакетов импульсов. Режим канала запуска, установленный на «переключение», прерывает текущую последовательность импульсов в середине пакета, когда приходит второй импульс. (D) Последовательность импульсов 500 мкс с настраиваемыми временем начала и напряжением.Импульсы с последовательным временем начала сливаются, образуя более сложные формы волны (справа). (E) Последовательность последовательных импульсов 100 мкс, чьи напряжения и время начала были сконфигурированы для генерации одного периода синусоидальной волны. Выходной канал использует «режим петли», чтобы повторять синусоидальный сигнал до тех пор, пока не закончится параметрически заданная последовательность импульсов. Режим канала триггера был установлен на режим «импульсный строб», чтобы прервать последовательность импульсов, когда ее напряжение вернется к низкому уровню.

Системное проектирование

Оборудование

Pulse Pal был разработан для сборки на лабораторном стенде для пайки примерно за 1 час с минимальным набором инструментов: паяльником, припоем, миниатюрной отверткой с крестообразным шлицем и метчиком 4–40.Мы предоставляем инструкции по заказу необходимых деталей, сборке устройства и программированию прошивки на вики Pulse Pal. Файлы проектирования оборудования, драйверы, прошивки и программные интерфейсы для устройства в MATLAB, Python и C ++ предоставляются в общедоступном репозитории. Собранное устройство и примеры импульсных последовательностей, демонстрирующие основные характеристики, показаны на рисунке 1.

Pulse Pal для одного триггерного и аналогового выходного канала показаны на рисунке 2.Pulse Pal передает входящие логические сигналы триггера через оптронную микросхему для защиты входных контактов микроконтроллера и уменьшения возможности возникновения контуров заземления. Затем триггерные сигналы считываются микроконтроллером ARM Cortex M3 Pulse Pal (STM32F103RBT6, ST microsystems), входящим в состав платформы микроконтроллеров Maple с открытым исходным кодом (LeafLabs). Микроконтроллер генерирует аналоговые сигналы, управляя внешним 4-канальным цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) IC (MAX500ACPE +, Maxim Integrated Products), сконфигурированным с биполярной выходной схемой, как показано на рисунке 9 спецификации MAX500.Эта выходная схема состоит из операционного усилителя (TL084ACN, Texas Instruments) и двух резисторов 10 кОм (R3, R4), которые делят опорное напряжение ЦАП, совместно обеспечивая выходное напряжение в диапазоне от -10 до +10 В от каждого (в противном случае униполярное ) Выходной канал ЦАП. К каждому усилителю был добавлен конденсатор (C1) для подавления скачков напряжения при переходных процессах. Инструкции по напряжению отправляются в ЦАП по аппаратной последовательной шине 18 МГц. Для биполярной работы в диапазоне от −10 до +10 В ЦАП требует питания с напряжением +/− 12 В постоянного тока.Это питание происходит от источника питания Maple USB со встроенным преобразователем постоянного напряжения (CC3-512DF-E, TDK Lambda). Чтобы установить диапазон ЦАП на +/- 10 В, на ЦАП подается отдельное опорное напряжение 10 В от источника +12 В с использованием линейного регулятора напряжения (L78S10CV, ST Microsystems).

Рисунок 2. Схема основной схемы запуска и генерации импульсов . Схема триггера и схемы стимуляции Pulse Pal показана для одного триггерного и выходного канала, без дублирования схем для всех других каналов.Большой джойстик, oLED-дисплей, светодиодный индикатор и соединения EEPROM с микроконтроллером были опущены для ясности.

Дополнительные схемы (не показаны на рисунке 2) были добавлены, чтобы оборудовать Pulse Pal для автономной работы. Символьный дисплей OLED (NHD-0216KZW-AB5, Newhaven Display) и двухкоординатный кнопочный джойстик (802-30110A, P3 America) используются в качестве интерфейса для программирования параметров каждого канала и тестового запуска устройства из дерева меню. реализовано в прошивке. Чтобы сохранить параметры при циклах включения питания, мы добавили внешнюю ИС EEPROM (на отдельной последовательной шине 9 МГц, чтобы приспособиться к более низкой тактовой частоте чипа; 25LC640A-I / P, Microchip Technology).Над каждым каналом был добавлен светодиод, указывающий, когда напряжение канала установлено на значение, отличное от его запрограммированного напряжения покоя (т. Е. Канал выдает импульс). Полная схема и макет печатной платы представлены в репозитории Pulse Pal в виде файлов для программного обеспечения Eagle для печатных плат (PCB) (CadSoft) и в виде файлов GERBER для производства печатных плат.

Программное обеспечение

Процессор ARM, обслуживающий Pulse Pal, был запрограммирован с помощью специальной прошивки, написанной на производной от LeafLabs языка Arduino — языка программирования на основе C ++ для микроконтроллеров AVR и ARM.Микропрограммное обеспечение Pulse Pal было запрограммировано на выполнение основного цикла каждые 50 мкс при доставке последовательностей импульсов. Выполнение цикла запускается аппаратным таймером, который является внутренней функцией микроконтроллера. В каждом цикле цикла микроконтроллер обновляет ЦАП, считывает логику триггерного канала и любые однобайтовые последовательные инструкции USB, вычисляет логику переходов напряжения текущего цикла и регулирует состояние светодиодного индикатора. Последовательные инструкции USB используют систему однобайтовых кодов операций, позволяющую программному клиенту программировать и запускать Pulse Pal, прерывать текущую стимуляцию, устанавливать фиксированные напряжения для выходных каналов или устанавливать логические значения линий ввода-вывода Maple для отладки.Чтобы отличить его от последующих обновлений, версия микропрограммного обеспечения, используемая для получения данных о производительности для настоящей публикации, находится в специальной папке в репозитории кода.

Pulse Pal программируется либо с помощью интерфейса большого джойстика, либо через USB путем настройки параметров канала (обозначенных ниже кросс-платформенным синтаксисом курсивом и проиллюстрированных на Рисунке 3 для выходных каналов). Один параметр для каждого канала запуска, TriggerMode , управляет тем, как он интерпретирует входящую логику.Предусмотрены три режима триггера: «нормальный», «тумблерный» и «импульсный». В нормальном режиме входящий логический импульс запускает все связанные выходные каналы, но последующие триггеры игнорируются во время воспроизведения. В режиме переключения последующие триггеры завершают текущие последовательности импульсов на связанных выходных каналах. В импульсном стробированном режиме последовательности импульсов запускаются переходом от низкого к высокому логическому уровню в канале запуска и завершаются последующим переходом от высокого к низкому уровню, если он происходит во время воспроизведения.

Рисунок 3.Иллюстрация параметров выходного канала .

Параметры стимула каждого выходного канала можно программировать независимо. Выходные каналы могут передавать либо параметрические последовательности импульсов, либо пользовательские последовательности импульсов, для которых каждый импульс имеет определенное время начала и напряжение. Форма и частота импульса определяются 7 параметрами: IsBiphasic (0, если импульсы однофазные, 1, если двухфазные), Phase1Voltage (напряжение первой фазы, от -10 В до +10 В), Phase2Voltage (тот же диапазон ), Phase1Duration (длительность первой фазы, 0.От 1 до 3600 с), InterPhaseInterval (время между фазами двухфазного импульса), Phase2Duration и InterPulseInterval (время между импульсами). Последовательности импульсов определяются дополнительными 4 параметрами: BurstDuration (время, в течение которого базовая последовательность импульсов стробируется «включена») BurstInterval (период, чередующийся с BurstDuration , в течение которого последовательность импульсов стробируется «выключена») PulseTrainDelay (время между триггером и началом последовательности импульсов) и PulseTrainDuration (продолжительность последовательности импульсов).Можно определить две пользовательские последовательности импульсов до 1000 импульсов каждая, где пользователь указывает время начала и напряжение каждого импульса. Использование настраиваемой последовательности на выходном канале выбирается путем установки для параметра канала CustomTrainID ненулевого значения (1 или 2, определяя, какой поезд). Для пользовательских последовательностей можно настроить два дополнительных параметра: CustomTrainTarget (для времени начала и напряжения; 0, если они относятся к импульсам, 1, если они относятся к пакетам импульсов), и CustomTrainLoop (0, если последовательность импульсов заканчивается после последнего импульса. определено, 1, если последовательность импульсов проходит от триггера до значения PulseTrainDuration ).Каждый выходной канал имеет три дополнительных параметра: LinkTriggerChannel1 , LinkTriggerChannel2 и RestingVoltage . Первые два из этих параметров определяют, какие триггерные каналы управляют выходным каналом. Третий определяет напряжение покоя выходного канала между фазами импульсов, импульсами и последовательностями импульсов (по умолчанию 0 В).

Файлы дизайна корпуса устройства, который можно вырезать с помощью лазера из одного листа акрила 30,48 × 30,48 см (12 ″ × 12 ″), находятся в репозитории.Выгравированный растром текст на дизайне обозначает каналы и USB-порт. Световые трубки (PLP2, Bivar) вдавливаются в отверстия над каждым каналом, направляя свет от светодиодных индикаторов на печатной плате к поверхности корпуса. Корпус крепится к печатной плате винтами, прикрепленными к резьбовым стойкам печатной платы, и содержит съемное крыло для прикрепления устройства к серверной стойке (показано на рис. 1A).

Меры надежности и точности

Чтобы проверить Pulse Pal в качестве практического решения для управления стимулами, мы проверили точность и надежность самых коротких импульсов, которые устройство может обрабатывать как на триггерных, так и на выходных каналах, а также несколько других свойств, важных для нейрофизиологических исследований.Все тесты проводились на одном устройстве Pulse Pal, подключенном к управляющему компьютеру (Macbook Pro, Apple).

Хотя выходные каналы обновляются один раз за выполнение 50 мкс основного цикла микроконтроллера, самый короткий настраиваемый импульс ограничен 100 мкс (чтобы гарантировать, что наименьший импульс выходного канала также может надежно запускать устройство). Чтобы измерить точность импульса 100 мкс, мы запрограммировали Pulse Pal на подачу последовательности из трех импульсов по 100 мкс, разделенных интервалами 100 мкс на всех 4 выходных каналах, каждый раз при обнаружении программного запуска.Первый выходной канал Pulse Pal был подключен к цифровому осциллографу (DS1102D, Rigol). Затем Pulse Pal запускался программно 100000 раз в течение 24 часов с помощью специального тестового сценария, написанного в MATLAB r2013a (Mathworks) на управляющем компьютере. После каждого события запуска результирующий сигнал возвращался с осциллографа на компьютер. Pulse Pal генерировал уникальный сигнал из трех импульсов после каждого запуска, демонстрируя высокую надежность программного запуска. Первые 100 последовательностей импульсов показаны наложенными друг на друга на фиг. 4A, выровненными по началу первого импульса, чтобы продемонстрировать дрожание импульса.Ширина импульсов для всех 300 000 импульсов показана на рисунке 4B. Ширина цикла составляла от 96,9 до 102,9 мкс, а 99,97% импульсов находились в пределах от 3 до 100 мкс.

Рисунок 4. Измерения точности и надежности. (A – B) Для серии из трех импульсов по 100 мкс с интервалами 100 мкс: (A) первые 100 сигналов, захваченных осциллографом, показаны наложенными друг на друга, а (B) — распределение длительностей импульсов, измеренных от 100000 3-импульсные последовательности, захваченные как в (A) . (C – D) Для серии одиночных 10-секундных импульсов: (C) сигналов из первых 20 испытаний и (D) 10 000 импульсов шириной. (E) Задержка последовательности импульсов из одного импульса 10 В, 100 мкс, захваченного из выходного канала (показан черным для 100 испытаний), была измерена по отношению к импульсу 5 В, 100 мкс, доставленному в связанный канал триггера. (показаны красным). (F) Распределение задержек последовательности импульсов для 100 000 испытаний. (G) 100 с наложением 78.Импульсы 1 мВ, показывающие минимально возможное приращение цифроаналогового преобразователя и шум канала, вызванный сквозным цифровым сигналом от шины SPI. (H) Одновременное и быстрое установление напряжения на каналах 1 и 4 при подаче импульса +10 В от напряжения покоя -10 В. (I) Время передачи USB показано для сообщения размером 5006 байтов, содержащего импульс времена и напряжения для индивидуальной последовательности из 1000 импульсов. Время передачи измерялось с помощью оборудования (HW, черный; с использованием прошивки, модифицированной для указания начала и окончания передачи импульсом напряжения) и программного обеспечения (SW, серый; с использованием часов управляющего компьютера). (J) Импульсы света длительностью 1 мс, создаваемые управлением синим диодным лазером с помощью Pulse Pal, преобразованные в напряжение с помощью Si-транзисторного фотодетектора с усилением (PDA10A, ThorLabs) и захваченные осциллографом. Отдельные кривые показаны для импульсов напряжения с амплитудой от 78 мВ до 5 В.

Затем мы измерили дрейф часов, чтобы гарантировать, что временная изменчивость, которую мы наблюдали в импульсах длительностью 100 мкс, не распространялась. Мы запрограммировали Pulse Pal на выдачу одиночного 10-секундного импульса (охватывающего 200 000 циклов цикла микроконтроллера) при срабатывании триггера.Мы зафиксировали результирующую форму волны в ходе 10 000 испытаний с помощью аналогового устройства захвата (NI USB-6210, National Instruments) с частотой дискретизации 100 кГц. 100 примеров импульсных сигналов показаны на рисунке 4C, а все 10 000 импульсных сигналов показаны на рисунке 4D. Все импульсы имели размер 9,99998 с или 9,99997 с, что соответствует постоянному дрейфу тактовой частоты 3 мкс / с по сравнению с тактовой частотой NI USB-6210.

Чтобы измерить задержку последовательности импульсов и надежность канала запуска, мы последовательно соединили два Pulse Pals.Первый запускался компьютером при каждом из 100 000 испытаний. Он генерировал одиночный прямоугольный импульс 5 В, 100 мкс одновременно на двух выходных каналах — один поступал в первый канал запуска второго Pulse Pal, а другой — на осциллограф (см. Рисунок 4H для отдельного эксперимента, демонстрирующего одновременность этих импульсов. ). Второй Pulse Pal генерировал одиночный импульс 100 мкс на каждом выходном канале при запуске его первого триггерного канала, который был захвачен с одного выходного канала отдельным каналом осциллографа.На рисунке 4E показано 100 испытаний. Импульсы запуска от первого (запускающего) Pulse Pal показаны красным, а импульсы от второго Pulse Pal — черным. Все 100 000 захваченных импульсов имели уникальную форму волны, что свидетельствует о высокой надежности аппаратного запуска. Задержка выходного канала для всех 100 000 испытаний относительно равномерно варьировалась от 91,0 до 146,7 мкс (рис. 4F).

Затем мы попытались определить, был ли шум канала достаточно низким, чтобы одноразрядное приращение ЦАП приводило к неперекрывающемуся изменению напряжения.Поскольку ЦАП MAX500ACPE +, который управляет выходными каналами Pulse Pal, имеет 8-битную точность, отображаемую в диапазоне 20 В (от -10 В до +10 В), его младший значащий бит (LSB) увеличивает напряжение канала на 78,1 мВ. Поэтому мы настроили PulsePal для запуска двух импульсов 78,1 мВ 100 раз (показано на рисунке 4G). Колебания напряжения в отдельных испытаниях составляли примерно 8 мВ относительно среднего значения в интервале 100 мс до начала последовательности импульсов и до 65 мВ относительно среднего значения в течение первых 100 мс импульсов.Повышенный шум во время воспроизведения в основном был связан с прохождением цифрового сигнала от каналов SPI, управляющих ЦАП (данные не показаны), но оставался значительно меньше минимального приращения напряжения ЦАП. Хотя исследователи, желающие еще больше уменьшить сквозное цифровое соединение (например, путем оптической развязки шины SPI), могут реализовать несколько модификаций компоновки платы и схем, Pulse Pal может использовать полную разрядность своего ЦАП в его нынешнем виде, что делает его полезным для многих приложений управления в инструментах нейробиологии.Напряжение покоя выходного канала было программно установлено на 0 В, но в этом эксперименте было измерено как 10,55 мВ (в пределах 15 мВ «ошибки нулевого кода», указанной для ЦАП MAX500ACPE + в его техническом описании), что указывает на смещение от Заданное значение 0 В присутствовало, но незначительно.

В экспериментах с точно рассчитанными по времени событиями полезно производить сигналы, которые происходят одновременно. Поэтому мы измерили одновременность обновлений выходных каналов, сравнив импульсы, запущенные на первом и последнем выходных каналах.Мы установили первый и четвертый выходные каналы на напряжение покоя -10 В, подали 100 +10 В импульсов и зафиксировали нарастающий сигнал каждого импульса с помощью осциллографа (рис. 4H). Во всех испытаниях выходное напряжение на обоих каналах стабилизировалось в пределах от 100 мВ до +10 В через 3,5 мкс. Это измерение также подтвердило, что скорость нарастания ЦАП и выходного усилителя была достаточно высокой, чтобы производить импульсы 100 мкс, полезные для большинства приложений в исследованиях нейробиологии.

Во многих экспериментах параметры последовательности импульсов и временные данные должны обновляться быстро в ответ на недавно полученную информацию.Поскольку один и тот же микроконтроллер управляет синхронизацией импульсов и USB-связью, Pulse Pal не может обновляться во время доставки последовательности импульсов. Поэтому мы стремились обеспечить быстрое получение обновлений между экспериментальными испытаниями. Мы измерили скорость передачи данных USB, послав последовательность из 1000 импульсов (5006 байт) 100 раз от клиента Pulse Pal MATLAB к Pulse Pal. Для измерения скорости аппаратной передачи без дополнительных затрат на программное обеспечение на стороне клиента микропрограммное обеспечение Pulse Pal было изменено таким образом, чтобы указывать начало передачи данных путем установки выходного канала 1–5 В и окончания передачи данных путем возврата канала 1–0 В.Результирующий импульс регистрировался осциллографом при каждом испытании. Время передачи на стороне клиента измерялось отдельно для блокирующей команды MATLAB serial fwrite путем фланкирования ее командами tic и toc. Передача завершается за 26–35 мс (в среднем 171 КБ / с), в то время как накладные расходы на стороне клиента в среднем требуют дополнительных 12 мс (рис. 4I). В соответствии с этим измерением скорости передачи, отдельная передача, обновляющая все параметров канала Pulse Pal для всех каналов (163 байта), завершается на стороне оборудования менее чем за 1 мс (данные не показаны).

Наконец, мы попытались проверить пригодность Pulse Pal для точного оптического контроля в оптогенетических экспериментах, используя его для управления синхронизацией и интенсивностью диодного лазера 447 нм. Мы подключили лазер (BML447-50FLD, Lasermate Group) через оптическое волокно (M31L02, ThorLabs) к кремниевому фотоприемнику с трансимпедансным усилением (PDA10A, ThorLabs), подавали импульсы длительностью 1 мс из выходного канала Pulse Pal на аналоговый вход источника питания лазера. , и сняли полученные формы сигналов с помощью осциллографа (DS1102D, Rigol).Импульсы имели амплитуду от 78 мВ до 5,0 В с шагом 78 мВ. На рисунке 4J отдельные кривые, снятые для каждого напряжения, показаны наложенными, с пропуском каждого второго напряжения для ясности. Pulse Pal вызывал точно синхронизированные импульсы света от лазера с программным (хотя и немного нелинейным) управлением интенсивностью света.

Приложения

Контроль времени и интенсивности освещения для оптогенетики

Pulse Pal был первоначально разработан в лабораторных условиях, чтобы обеспечить интуитивно понятный и доступный способ достижения точного временного контроля в оптогенетических экспериментах (Pi et al., 2013). В этих исследованиях Pulse Pal использовался для управления лазером, подключенным к оптическому волокну, как показано на рисунке 4J, обеспечивая точно синхронизированные последовательности импульсов для фотостимуляции определенных классов интернейронов. В этой роли Pulse Pal предоставляет простую и открытую альтернативу коммерческим генераторам последовательности импульсов (например, Master 8 (AMPI), PSG-2 (ISSI), Pulsemaster A300 (WPI), BPG-1 (Bak Electronics), StimPulse PGM ( FHC Inc.) и Multistim 3800 (AM Systems).

Генерация сенсорных паттернов с малой задержкой стробирования

В том же исследовании Pulse Pal использовался как программируемый генератор сигналов, предоставляя простые акустические стимулы с малой задержкой для решения задачи восприятия «годен / не годен».В этом приложении каждый выходной канал напрямую управлял отдельным усиленным динамиком. Помимо простых сигналов, используемых в этих экспериментах, для изучения алгоритмической основы принятия решений людьми и животными часто используются звуковые и зрительные импульсные стимулы с временной структурой. Бинауральный поток пуассоновских щелчков (Sanders and Kepecs, 2012; Brunton et al., 2013) может быть сгенерирован с использованием настраиваемых последовательностей импульсов Pulse Pal, где импульс 100 мкс, 1 В, подаваемый на усиленный динамик наушников, генерирует точно синхронизированный звуковой щелчок.Для визуальных стимулов каждый канал может быть настроен для создания точно синхронизированных визуальных вспышек (Zylberberg et al., 2012) путем стробирования коммерческого светодиодного драйвера (например, BuckPuck, LED Dynamics). Таким образом, стимулы могут запускаться и останавливаться с гораздо меньшей задержкой и более высокой временной точностью, чем коммерческая звуковая карта или компьютерный видеодисплей (Kleiner et al., 2007). Для экспериментов по принятию сенсорных решений, требующих точного временного контроля, Pulse Pal предоставляет простую и открытую альтернативу настраиваемым инструментам.

Общий аналоговый контроль лабораторных приборов

Несколько нейробиологических инструментов используют аналоговые сигналы в качестве интерфейса для управления параметрами устройства. Некоторыми примерами являются зеркала гальванометра для стимуляции лазерным сканированием (например, GVSM002, Thor Labs) и монохроматоры для измерения спектральной настройки в оптогенетике (например, Polychrome V, Till Photonics). В некоторых случаях программное управление униполярным напряжением может быть недорого реализовано с помощью микроконтроллерных платформ (например, Arduino) или недорогих устройств автоматизации (например.г., U3, ЛабДжек). Однако для многих устройств (включая два перечисленных выше) требуются управляющие напряжения в стандартном промышленном диапазоне от -10 В до +10 В, что требует дорогостоящего проприетарного компьютерного оборудования (например, NI PCIe-6323, National Instruments). Для этих приложений Pulse Pal обеспечивает недорогой способ аналогового управления.

Обратная связь в электрофизиологии

В качестве инструмента временного контроля Pulse Pal дополняет растущий набор инструментов с открытым исходным кодом для исследований в области нейробиологии, которые стали доступны в последние годы.Они варьируются от систем сбора данных электрофизиологии (Rolston et al., 2009; Voigts et al., 2013a) до устройств интерфейса электродов (Voigts et al., 2013b) и программных средств сбора данных (Brainard, 1997; Pologruto et al., 2003; Englitz et al., 2013; Campagnola et al., 2014). Pulse Pal был официально интегрирован в программное обеспечение для одного из этих инструментов, системы сбора данных электрофизиологии Open Ephys, где он предоставляется как один из методов обратной связи с замкнутым контуром с малой задержкой.

Общие обсуждения

Для нашего исследования нам потребовался генератор импульсов с высокой точностью во временных масштабах, необходимых для согласования событий стимуляции с потенциалами действия (джиттер времени импульса по крайней мере в 10 раз меньше ширины потенциала действия; рисунки 4A, B), низкий дрейф часов (Рисунки 4C, D), латентность первого импульса (Рисунки 4E, F) сравнима с короткими потенциалами действия млекопитающих (Kandel et al., 2000) и высокая надежность (100% из 300 000 мягких запусков, 100% из 100 000 импульсов запуска по 100 мкс). При разработке Pulse Pal мы осознали, что упрощенное управление синхронизацией импульсов напряжения является общей необходимостью, и расширили объем проекта, чтобы удовлетворить пять дополнительных целей проектирования: низкая стоимость материалов (210 долларов США), автономная функциональность (рисунок 1), лабораторная работа. боковая сборка с помощью общих инструментов (см. иллюстрированное руководство на вики), поддержка распространенных вычислительных платформ и языков программирования (WinXP, Win7, OSX, Ubuntu 14.04; MATLAB, C ++, Python) и исчерпывающую онлайн-документацию.

Для достижения этих целей Pulse Pal предоставляет общий ресурс для точного временного контроля стимуляции и внешних сигналов в лаборатории. Он инкапсулирует проблему генерации временных паттернов для многих приложений в физиологии и психофизике, где вместо коммерческих инструментов эта проблема управления часто решалась ad-hoc путем написания специального программного обеспечения для микроконтроллеров (da Silva Pinto et al., 2011; Weick et al., 2011; Бугай и др., 2013; Haikala et al., 2013; Охайон и др., 2013; Smear et al., 2013; Инагаки и др., 2014; Klapoetke et al., 2014).