Низковольтный регулируемый S-негатрон на компараторе

Изложены вопросы создания генераторов импульсов, выполненных на компараторных аналогах S-негатронов. Характер генерируемых импульсов таких устройств практически идентичен импульсам, генерируемым с использованием простейших релаксационных генераторов на классических S-негатронах. Существенное и положительное отличие компараторных аналогов S-негатронов в том, что они способны переключать свое состояние при подаче на вход управляющего напряжения от десятков милливольт и выше.

Как известно, негатроном называют электронное устройство, имеющее S- или N-образную вольтамперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного динамического сопротивления. Такими элементами могут быть, например, газоразрядные источники оптического излучения (например, неоновые лампы), электрические разрядники, лавинные транзисторы, динисторы или их управляемые и неуправляемые полупроводниковые аналоги [1–5]. Активные элементы классических негатронов способны переключаться и работать при напряжении от единиц до сотен вольт.

На Рисунке 1 представлено несколько типовых схем релаксационных генераторов импульсов на основе S-негатронов. Это может быть электрический разрядник F1, Рисунок 1а, газоразрядная лампа HL1, Рисунок 1б, лавинный транзистор VT1, Рисунок 1в, или ряд других нелинейных элементов, имеющих S-образную ВАХ, Рисунок 1г. На Рисунке 1д показан вид сигналов, генерируемых подобными устройствами: экспоненциальный рост напряжения на конденсаторе и последующий пробой негатрона с разрядом конденсатора на его внутреннее сопротивление.

Рисунок 1.	Генераторы импульсов на основе S-негатронов:   а) электрических разрядников;   б) газоразрядных источников оптического излучения (неоновых ламп);   в) лавинных транзисторов; а также вид: г) ВАХ S-негатронов и   д) зависимость выходного сигнала генераторов импульсов на основе S-негатронов от времени.

При включении генератора конденсатор, подключенный параллельно активному элементу, заряжается от источника питания через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения пробоя активного элемента (S-негатрона), происходит разряд конденсатора на его внутреннее сопротивление, в том числе на сопротивление нагрузки, после чего процесс повторяется с частотой, определяемой постоянной цепи R1C1 и напряжением источника питания E.

На Рисунке 2 показана типовая схема генератора импульсов на компараторном аналоге S-негатрона. Принцип работы генератора импульсов поясняется динамикой электрических процессов на входах и выходе компаратора. Стоит особо отметить, что питание компаратора производится от отдельного или общего источника питания. При подаче на вход устройства управляющего напряжения +E через резисторы R2 и R1 происходит зарядка конденсатора C1, подключенного к инвертирующему входу компаратора.

Рисунок 2.	Генератор импульсов на компараторном аналоге S-негатрона и динамика электрических процессов в нем.

Из Рисунка 2 следует, что напряжение на неинвертирующем входе компаратора в начальный момент времени нарастает быстрее, чем на инвертирующем входе. Напряжение на конденсаторе C1 (инвертирующем входе компаратора) экспоненциально возрастает пропорционально произведению (R1 + R2)C1. В момент, когда напряжения на входах компаратора сравняются, происходит его переключение. Напряжение на выходе компаратора мгновенно падает практически до нуля. Конденсатор C1 разряжается на резистор R1; напряжение на конденсаторе снижается пропорционально произведению R1C1. Далее процесс формирования импульсов повторяется снова и снова.

Рисунок 3.	Генератор импульсов на компараторном аналоге S-негатрона с низковольтным входным сигналом.

На Рисунках 3 и 4 приведены практические схемы генераторов импульсов, выполненных на компараторах микросхемы LM339, способной работать в диапазоне питающих напряжений от 2 до 36 В. В качестве активных элементов компараторных аналогов S-негатронов могут быть использованы компараторы с открытым коллектором или стоком, такие, например, как: LM239, LM339, LM2901, NCV2901, MC3302, TLC354MD и др.

Рисунок 4.	Генератор импульсов на компараторном аналоге S-негатрона с «высоковольтным» входным сигналом.

На Рисунке 3 показан низковольтный генератор импульсов: при подаче на вход управления напряжения +U_VAR от 20 мВ и выше – до напряжения питания 2 В амплитуда выходных сигналов U_ВЫХ практически равна напряжению, подаваемому на управляющий вход устройства (U_ВЫХ = +U_VAR).

Генератор, Рисунок 4, предназначен для работы в более широком диапазоне входных напряжений, т.е. до 36 В.

При изменении напряжения на управляющем входе генератора частота генерируемых сигналов изменяется в соответствии с Рисунком 5: с ростом напряжения частота генерируемых импульсов снижается.

Рисунок 5.	Зависимость частоты генерации генератора импульсов на компараторном аналоге S-негатрона, Рисунок 4, от величины подаваемого на вход +UVAR сигнала.

Как и для большинства остальных разновидностей релаксационных генераторов импульсов верхняя граница работы генераторов на компараторных аналогах S-негатронов ограничена областью 100…300 кГц. В частности, при использовании компаратора микросхемы LM339 верхняя граница частоты генерации составляет 300 кГц, а для TLC354MD – 500 кГц.

Литература

1. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсной технике. М.: Советское радио, 1973. 208 с.
2. Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. М.: Солон-Пресс, 2008. 382 с.
3. А.с. 1506522 СССР. МКИ H03K 3/335. Генератор импульсов / М.А. Шустов. Открытия. Изобретения. 1989. № 33.
4. Шустов М.А. Индикаторы «фазы» на современной элементной базе. Радиолюбитель. 1995. № 3. С. 26–27.
5. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем. М.: Altex-A, 2001. Кн. 1. 352 с. (I изд.), 2003 (II изд.); М.: Додэка-XXI–Altex, 2007. 360 с. (II изд.).

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor LM339