RU2129331C1

RU2129331C1 - Pulse generator

Info

Publication number: RU2129331C1
Application number: RU97115723A
Authority: RU
Inventors: Е.И. Рыжаков; Г.И. Шишкин
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1997-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 1999-04-20

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: generator has input of its inverter 1 connected to first lead of choke coil 7, emitters of transistors 5,6, and to input of inverter 2 whose output is connected through resistor 9 to second lead of choke coil 7 and to bases of transistors 5, 6. First input of EXCLUSIVE OR gate is connected to collector of transistor 5 and through resistor 8, to bus 12; its second input is connected to collector of transistor 6 and through resistor 10, to bus 13; its output is connected to first input of EXCLUSIVE OR gate 4 whose second input is connected to output of inverter 2 and output, to input of inverter 1 through integrating RC circuit 11. All these arrangements provide for eliminating frequency dependence on supply voltage and for limiting inrush current amplitude when magnetic circuit is saturating. EFFECT: reduced power requirement, provision for eliminating noise at inverter outputs and power circuits and overcurrent operation of inverter transistors. 1 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления. The invention relates to a pulse technique and can be used in computing devices and control systems.

Известен генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР N 450322 от 02.12.72, МКИ: H 03 K 3/30, Двухтактный генератор прямоугольных импульсов. В.С. Моин, опубл. 15.11.74, Бюл. N 42), содержащий транзисторы, база-эмиттерные переходы которых зашунтированы диодами, с выходным трансформатором, имеющим обмотку обратной связи с отводом, зашунтированную резистивно-емкостной цепочкой. База одного транзистора соединена с общей точкой соединения резистора и конденсатора резистивно-емкостной цепочки, а база другого транзистора - с отводом обмотки обратной связи через вновь введенный резистор. A known pulse generator (see USSR author's certificate N 450322 dated 02.12.72, MKI: H 03 K 3/30, Two-stroke rectangular pulse generator. V. S. Moin, publ. 15.11.74, Bull. N 42) containing transistors the base-emitter junctions of which are shunted by diodes, with an output transformer having a feedback winding with a tap, shunted by a resistive-capacitive circuit. The base of one transistor is connected to a common point of connection of the resistor and capacitor of the resistive-capacitive circuit, and the base of the other transistor is connected to the tap of the feedback winding through the newly introduced resistor.

Частота известного генератора задается конденсатором резистивно-емкостной цепочки. Трансформатор используется для организации цепей обратной связи и формирования выходных сигналов. Входная обмотка разделена на две части и включена в коллекторные цепи транзисторов. Коллекторная обмотка каждого из транзисторов содержит небольшую часть суммарного числа витков трансформатора, что определяет малую индуктивность коллекторной обмотки, а следовательно, и большую скорость нарастания тока коллектора. Увеличению скорости нарастания тока способствует также подача на входную обмотку большого напряжения. The frequency of the known generator is set by the capacitor of the resistive-capacitive chain. The transformer is used to organize feedback circuits and generate output signals. The input winding is divided into two parts and is included in the collector circuit of the transistors. The collector winding of each of the transistors contains a small part of the total number of turns of the transformer, which determines the small inductance of the collector winding, and hence the high slew rate of the collector current. An increase in the slew rate of the current is also facilitated by the supply of a large voltage to the input winding.

Недостатками известного генератора являются большое собственное потребление, а также большая величина тока открытого транзистора и повышение напряжения на коллекторе закрытого транзистора до величины удвоенного напряжения питания, что приводит к ужесточению режима работы транзисторов и повышает вероятность их отказа. The disadvantages of the known generator are its large consumption, as well as a large current of the open transistor and an increase in the voltage at the collector of the closed transistor to a value of twice the supply voltage, which leads to a toughening of the operation mode of transistors and increases the likelihood of their failure.

Известен генератор импульсов (см. книгу: Уитсон Дж. 500 практических схем на ИС. Пер. с англ. - М.: Мир, 1992, с.152, рис. 3.11), являющийся прототипом, содержащий магнитный элемент в виде трансформатора со входной и выходной обмотками и два инвертора на комплементарных МОП транзисторах, вход каждого из инверторов соединен с выходом другого, между выходами инверторов включена входная обмотка трансформатора, цепи питания инверторов через резистор подключены к шине питания. A well-known pulse generator (see book: Witson J. 500 practical circuits on IP. Transl. From English. - M .: Mir, 1992, p. 152, Fig. 3.11), which is a prototype containing a magnetic element in the form of a transformer with input and output windings and two inverters on complementary MOS transistors, the input of each of the inverters is connected to the output of the other, the input winding of the transformer is connected between the outputs of the inverters, the power circuits of the inverters are connected to the power bus through the resistor.

Моменты переключения данного генератора определяются насыщением сердечника трансформатора, когда резко увеличивается ток потребления, протекающий через входную обмотку трансформатора и открытые транзисторы инверторов, и происходит подсадка напряжения питания инверторов за счет падения напряжения на резисторе. The switching moments of this generator are determined by the saturation of the core of the transformer, when the consumption current flowing through the input winding of the transformer and the open transistors of the inverters sharply increases, and the inverter supply voltage drops due to the voltage drop across the resistor.

Подсадка напряжения питания вызывает формирование помех на выходах инверторов, что затрудняет подключение нагрузки и вызывает необходимость организации выходной обмотки и уменьшения числа витков входной обмотки. The feeding of the supply voltage causes the formation of interference at the outputs of the inverters, which complicates the connection of the load and necessitates the organization of the output winding and reducing the number of turns of the input winding.

В составе трансформатора целесообразно использовать сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющий повысить стабильность частоты при изменении тока нагрузки и уменьшить потери мощности на переключение в транзисторах (см. книгу: Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/ Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988, с. 142). As part of the transformer, it is advisable to use a core with a rectangular hysteresis loop, which improves frequency stability when the load current changes and reduces the switching power loss in transistors (see book: Power supply for communication devices: Textbook for universities / Edited by V.E. Kitaev. - M .: Radio and communication, 1988, p. 142).

Основным недостатком прототипа является высокая частота формируемых импульсов вследствие малой индуктивности входной обмотки трансформатора, определяемой числом ее витков, и большой величины напряжения на входной обмотке, равной напряжению питания. The main disadvantage of the prototype is the high frequency of the generated pulses due to the low inductance of the input winding of the transformer, determined by the number of its turns, and the large voltage on the input winding equal to the supply voltage.

Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание генератора импульсов, обладающего низкой частотой выходных импульсов, без увеличения размеров сердечника. The problem solved by the proposed technical solution is the creation of a pulse generator having a low frequency of output pulses, without increasing the size of the core.

Технический результат, заключающийся в уменьшении частоты генерируемых импульсов, достигается тем, что в генератор импульсов, содержащий два инвертора, выход первого из которых соединен со входом второго инвертора и с первым выводом магнитного элемента, и первый резистор, первый вывод которого соединен с шиной питания, введены второй и третий резисторы, два элемента "исключающее ИЛИ" и два транзистора разного типа проводимости, эмиттеры которых соединены с первым выводом магнитного элемента, базы - со вторым выводом магнитного элемента и через второй резистор - с выходом второго инвертора, коллектор первого транзистора соединен со вторым выводом первого резистора и с первым входом первого элемента "исключающее ИЛИ", второй вход которого соединен с коллектором второго транзистора и через третий резистор - с общей шиной, а выход - с первым входом второго элемента "исключающее ИЛИ", второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, а выход - непосредственно или через вновь введенную интегрирующую RC-цепь со входом первого инвертора, причем первый инвертор выполнен в виде триггера Шмитта с инверсией входного сигнала, а магнитный элемент - в виде дросселя на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса. The technical result, which consists in reducing the frequency of the generated pulses, is achieved by the fact that the pulse generator contains two inverters, the output of the first of which is connected to the input of the second inverter and to the first output of the magnetic element, and the first resistor, the first output of which is connected to the power bus, introduced the second and third resistors, two exclusive OR elements and two transistors of different conductivity types, the emitters of which are connected to the first output of the magnetic element, the base - to the second output of the magnetic element and through the second resistor - with the output of the second inverter, the collector of the first transistor is connected to the second output of the first resistor and to the first input of the first exclusive OR element, the second input of which is connected to the collector of the second transistor and through the third resistor to the common bus, and the output to the first input of the second exclusive OR element, the second input of which is connected to the output of the second inverter, and the output is directly or via a newly introduced integrating RC circuit with the input of the first inverter, the first inverter being made in Schmitt trigger with inversion of the input signal, and the magnetic element in the form of a choke on the core with a rectangular hysteresis loop.

Указанная совокупность признаков позволяет уменьшить частоту генерируемых импульсов за счет максимального увеличения числа витков входной обмотки магнитного элемента и уменьшения напряжения на входной обмотке в режиме перемагничивания сердечника. The specified set of features allows you to reduce the frequency of the generated pulses due to the maximum increase in the number of turns of the input winding of the magnetic element and a decrease in voltage at the input winding in the magnetization reversal mode of the core.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема генератора импульсов. The drawing shows a circuit diagram of a pulse generator.

Генератор импульсов содержит первый 1 и второй 2 инверторы, первый 3 и второй 4 элементы "исключающее ИЛИ", первый 5 и второй 6 транзисторы, дроссель 7, первый 8, второй 9 и третий 10 резисторы, интегрирующую RC-цепь 11, шину 12 питания, общую шину 13. The pulse generator contains the first 1 and second 2 inverters, the first 3 and second 4 exclusive-OR elements, the first 5 and second 6 transistors, the inductor 7, the first 8, the second 9 and the third 10 resistors, integrating the RC circuit 11, the power bus 12 common bus 13.

Выход инвертора 1 соединен с первым выводом дросселя 7, эмиттерами транзисторов 5 и 6 и со входом инвертора 2, выход которого через резистор 9 соединен со вторым выводом дросселя 7 и с базами транзисторов 5 и 6. Первый вход элемента 3 "исключающее ИЛИ" соединен с коллектором транзистора 5 и через резистор 8 - с шиной 12, второй вход - с коллектором транзистора 6 и через резистор 10 с шиной 13, а выход - с первым входом элемента 4 "исключающее ИЛИ", второй вход которого соединен с выходом инвертора 2, а выход через интегрирующую RC-цепь 11 или непосредственно - со входом инвертора 1. Цепи питания инверторов 1, 2 и элементов 3, 4 "исключающее ИЛИ" соединены с шиной 12 (на фигуре не показано). The output of the inverter 1 is connected to the first output of the inductor 7, the emitters of the transistors 5 and 6 and with the input of the inverter 2, the output of which through the resistor 9 is connected to the second output of the inductor 7 and the bases of the transistors 5 and 6. The first input of the exclusive-3 element 3 is connected to the collector of transistor 5 and through resistor 8 with bus 12, the second input with the collector of transistor 6 and through resistor 10 with bus 13, and the output with the first input of element 4 "exclusive OR", the second input of which is connected to the output of inverter 2, and output via an integrating RC circuit 11 or directly with the input of the inverter 1. The power supply circuit of the inverters 1, 2 and the exclusive-OR elements 3, 4 are connected to the bus 12 (not shown in the figure).

Генератор импульсов работает следующим образом. The pulse generator operates as follows.

При включении питания инвертор 1 устанавливается в состояние логической "1" разряженным конденсатором интегрирующей RC-цепи 11; инвертор 2 устанавливается в состояние логического "0". Через резистор 9 и дроссель 7 начинает протекать ток, перемагничивающий сердечник дросселя 7. Напряжение на дросселе 7 ограничивается база-эмиттерным переходом транзистора 6, который открывается током резистора 9. Транзистор 5 закрыт. На обоих входах элемента 3 "исключающее ИЛИ" устанавливается уровень логической "1", поддерживающий элементы 3 и 4 "исключающее ИЛИ" в состоянии логического "0", а конденсатор интегрирующей RC-цепи в разряженном состоянии. When the power is turned on, the inverter 1 is set to the logical "1" state by the discharged capacitor of the integrating RC circuit 11; the inverter 2 is set to a logical "0" state. Through the resistor 9 and the inductor 7, a current begins to flow that magnetizes the core of the inductor 7. The voltage on the inductor 7 is limited by the base-emitter junction of the transistor 6, which is opened by the current of the resistor 9. The transistor 5 is closed. At both inputs of the exclusive-OR element 3, the logic level is set to “1”, supporting the exclusive-OR elements 3 and 4 in the logical “0” state, and the capacitor of the integrating RC circuit in the discharged state.

После перемагничивания сердечника дросселя 7 падение напряжения на нем уменьшается и вызывает закрывание транзистора 6. Элементы 3 и 4 переключаются в состояние логической "1". Конденсатор интегрирующей RC-цепи 11 заряжается до порога срабатывания инвертора 1. Инвертор 1 переключается в состояние логического "0", а инвертор 2 - в состояние логической "1". При этом на выходе элемента 4 устанавливается уровень логического "0", вызывающий разряд конденсатора интегрирующей RC-цепи 11. After the magnetization reversal of the core of the inductor 7, the voltage drop across it decreases and causes the transistor 6. to close. Elements 3 and 4 are switched to the logical "1" state. The capacitor of the integrating RC circuit 11 is charged to the threshold of the inverter 1. Inverter 1 switches to the logical "0" state, and inverter 2 to the logical "1" state. In this case, at the output of element 4, the logic level is set to “0”, which causes the discharge of the capacitor of the integrating RC circuit 11.

Одновременно дроссель 7 начинает перемагничиваться током резистора 9. Падение напряжения на дросселе 7 ограничивается база-эмиттерным переходом транзистора 5, который открывается током резистора 9. Уровень логического "0" устанавливается на обоих входах и на выходе элемента 3. На выходе элемента 4 восстанавливается уровень логической "1". За время действия помехи отрицательной относительно уровня логической "1" полярности на выходе элемента 4 конденсатор интегрирующей RC-цепи 11 не успевает разрядиться до порога отпускания инвертора 1, поэтому его состояние во время действия помехи но изменяется. Длительность импульса помехи невелика, определяется задержкой открывания транзистора 5 и срабатывания элемента 3 и может погаситься элементом 4 и инвертором 1 без установки интегрирующей RC-цепи 11. At the same time, the inductor 7 starts to be magnetized by the current of the resistor 9. The voltage drop across the inductor 7 is limited by the base-emitter junction of the transistor 5, which is opened by the resistor 9. The logic level "0" is set at both inputs and the output of element 3. At the output of element 4, the logic level is restored "1". During the duration of the interference, the polarity at the output of element 4, negative with respect to the level of logical “1”, the capacitor of the integrating RC circuit 11 does not have time to discharge to the release threshold of inverter 1, therefore, its state changes during the operation of the interference. The duration of the interference pulse is small, it is determined by the delay in opening the transistor 5 and the operation of element 3 and can be extinguished by element 4 and inverter 1 without installing an integrating RC circuit 11.

После перемагничивания дросселя 7 транзистор 5 закрывается и генератор переключается аналогичным образом. При этом на выходе элемента 4 формируется кратковременный импульс помехи положительной полярности. After the magnetization reversal of the inductor 7, the transistor 5 closes and the generator switches in the same way. At the same time, at the output of element 4, a short-term pulse of interference of positive polarity is formed.

Формулу для определения зависимости частоты генерируемых импульсов от числа W витков входной обмотки магнитного элемента и от напряжения U на обмотке можно представить в виде f = U/KW, где K - коэффициент, зависящий от характеристик сердечника (см. книгу: Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/ Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988, с. 142). The formula for determining the dependence of the frequency of the generated pulses on the number W of turns of the input winding of the magnetic element and on the voltage U on the winding can be represented in the form f = U / KW, where K is a coefficient depending on the characteristics of the core (see book: Power Supply for Communication Devices: Textbook for Universities / Under the editorship of VE Kitaev. - M .: Radio and communications, 1988, p. 142).

Поскольку число витков обмотки дросселя равно общему числу витков W₀, а число витков входной обмотки трансформатора прототипа приблизительно равно половине общего числа витков W₀/2, то принимая падение напряжения на базе-эмиттерном переходе открытого транзистора равным 0,7 В, а напряжение питания равным 7 В, получим частоту прототипа равную 14/KW₀, а частоту заявляемого генератора - 0,7/KW₀. Следовательно, частота заявляемого генератора в 20 раз меньше частоты прототипа.Since the number of turns of the choke coil is equal to the total number of turns W _0, and the number of turns of the input winding of the transformer prototype is approximately equal to half the total number of turns W _0/2, taking the voltage drop across the base-emitter junction of transistor open of 0.7 V, and the voltage supply equal to 7 V, we obtain the prototype frequency equal to 14 / KW ₀ , and the frequency of the inventive generator is 0.7 / KW ₀ . Therefore, the frequency of the inventive generator is 20 times less than the frequency of the prototype.

Одновременно в заявляемом генераторе по сравнению с прототипом исключена зависимость частоты от напряжения питания и ограничена амплитуда бросков тока при насыщении сердечника магнитного элемента, что позволило уменьшить потребление и исключить формирование помех на выходах инверторов и на цепях питания, а также перегрузку по току транзисторов инверторов. At the same time, in the inventive generator, in comparison with the prototype, the dependence of the frequency on the supply voltage is excluded and the amplitude of the inrush currents during saturation of the core of the magnetic element is limited, which made it possible to reduce consumption and eliminate the formation of interference at the inverter outputs and power supply circuits, as well as the overload current of the inverter transistors.

Изготовлен лабораторный макет генератора импульсов, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого объекта. A laboratory model of a pulse generator was manufactured, tests of which confirmed the feasibility and practical value of the claimed object.

Claims

A pulse generator comprising two inverters, the output of the first of which is connected to the input of the second inverter and to the first output of the magnetic element, and the first resistor, the first output of which is connected to the power bus, characterized in that the second and third resistors are introduced, the two elements are EXCLUSIVE OR and two transistors of different conductivity types, the emitters of which are connected to the first output of the magnetic element, the base - to the second output of the magnetic element and through the second resistor - to the output of the second inverter, the collector of the first transistor with is single with the second output of the resistor and with the first input of the first EXCLUSIVE OR element, the second input of which is connected to the collector of the second transistor and through the third resistor with a common bus, and the output is with the first input of the second EXCLUSIVE OR element, the second input of which is connected to the output of the second inverter and the output, either directly or through the newly introduced integrating RC circuit, with the input of the first inverter, the first inverter made in the form of a Schmitt trigger with inversion of the input signal, and the magnetic element in the form of a choke on the heart nick with a rectangular hysteresis loop.