Фантастрон не имеет никакого отношения ни к фантастике, ни к фантасмагории. Фантастрон, он же фантастронный генератор, это одна из разновидностей схем генераторов линейно изменяющегося напряжения, или, сокращенно ГЛИН.
Линейно изменяющееся напряжение изначально использовалось для формирования развертки в осциллографах и, уже позже, в телевизорах. Отсюда и другое название ГЛИН, которое сегодня встречается относительно редко, генераторы развертки. Сегодня линейно изменяющееся напряжение широко используется не только, и не столько, в схемах развертки, но и в устройствах автоматики, измерительной технике, и многих других областях.
Существует множество различных вариантов построения генераторов линейно изменяющегося напряжения или тока (ГЛИТ), сегодня большей частью с использованием микросхем. Однако, я хочу немного поговорить о ГЛИН на транзисторах, причем не в самом распространенном варианте - фантастроне. И лежащем в его основе интеграторе Миллера, который достаточно широко известен.
Да, я знаю, все это "давно устарело", по мнению многих. Но я так не считаю. Зато считаю, что знание подобных схем и понимание их работы полезно даже для современных разработчиков.
Немного о параметрах ЛИН и его генераторов
Нам невозможно избежать хотя бы краткого разговора о параметрах пилообразного напряжения.
На этой иллюстрации сверху показано линейно нарастающее напряжение, а снизу линейно спадающее. В обоих случаях напряжение имеет амплитуду Um и два граничных значения u0 и u1.
Идентичны и временные параметры. Тр - время рабочего хода. Именно на этом участке напряжение плавно нарастает или спадает. Тв - время восстановления, которое иногда называют временем обратного хода (для генераторов развертки). Тож - время ожидания, это интервал между окончанием обратного хода и началом очередного рабочего хода.
Качество пилообразного напряжения определяется коэффициентом нелинейности ξ. А полнота использования напряжения источника питания (эффективность работы генератора) определяется параметром ke.
Способы формирования линейно изменяющегося напряжения
В большинстве случаев линейно изменяющееся напряжение формируется на конденсаторе при его заряде или разряде. Гораздо менее распространено использование индуктивных элементов и тока через них.
Заряд конденсатора через резистор от источника напряжения дает нам нарастающее по экспоненте напряжение на конденсаторе. А разряд конденсатора через резистор дает спадающее по экспоненте напряжение. Но форма экспоненты далека от линейной.
Условно линейным можно считать лишь начальный участок экспоненты, когда изменение напряжения на конденсаторе мало по сравнению с источником напряжения. Но это приводит к очень низкой эффективности ГЛИН. То есть, амплитуда пилообразного напряжения во много раз меньше напряжения источника питания.
Весьма известным способом лианеризации изменения напряжения на конденсаторе является замена резистора на источник тока. Идеальный источник тока обладает бесконечным внутренним сопротивлением, что обеспечивает линейное изменения напряжения на конденсаторе при его заряде/разряде.
Однако, реальные источники тока имеют конечное внутреннее сопротивление, что приводит к изменению тока через конденсатор в процессе его заряда/разряда. А это снижает линейность формируемого напряжения. Тем не менее, используя источники тока, на современной элементной базе, можно получить высокую линейность.
Но есть еще один способ повышения линейности формируемого напряжения - использование усилительных каскадов и обратной связи.
В первой варианте, снижение зарядного тока конденсатора, с ростом напряжения на нем, компенсируется обратной связью с выхода усилителя. В данном случае усилительный каскад является повторителем напряжения (катодным, эмиттерным, истоковым) с коэффициентом передачи К<1. Разумеется, можно использовать и повторитель на ОУ.
Во втором варианте, конденсатор включен в цепь отрицательной обратной связи усилительного каскада. Причем усилитель теперь действительно является усилителем, причем обязательно инвертирующим.
Думаю, что все читатели уже увидели сходство с классическим вариантом построения интегратора на ОУ. Однако, здесь не обязательно используется ОУ, усилительный каскад может быть и транзисторным или ламповым.
Именно этот вариант формирования линейно изменяющегося напряжения используется в интеграторе Миллера и фантастроне.
Если посмотреть на формулу для выходного напряжения (на иллюстрации), то станет видно, что такое включение конденсатора эквивалентно увеличению постоянной времени цепи в (1+К) раз.
Интегратор Миллера
Ламповые схемы мы не будем рассматривать, перейдем сразу к варианту на транзисторах. Итак, транзисторный вариант интегратора Миллера.
По сути, это прямой аналог лампового варианта на тетроде (пентоде). Поэтому иногда можно встретить название такого включения транзисторов - составной тетрод. Можно рассматривать это и как "каскодное" включение транзисторов.
Однако, транзистор Q1 фактически выполняет роль электронного ключа, который переключает режимы рабочего и обратного хода (включая режим ожидания запуска). При этом для тока коллектора Q2, который и формирует выходное напряжение генератора, Q1 включен по схеме с общей базой. А значит, мы должны учитывать его коэффициент передачи тока эмиттера.
В любом случае, транзисторы образуют усилительный каскад, между входом и выходом которого включен времязадающий конденсатор С1. Времязадающим резистором в данной схеме является R2.
Источник напряжения V1 (10 В) обеспечивает питание схемы. Источник входного сигнала V2. К модели подключены два зонда, позволяющие снимать виртуальные "осциллограммы". При этом выходной сигнал снимается зондом "Q1-collector".
В исходном состоянии транзистор Q1 закрыт. Для германиевых транзисторов когда то использовалось дополнительное запирающее смещение от отдельного источника, но для современных кремниевых транзисторов отдельный источник запирающего напряжения не требуется.
Для закрытого транзистора токи коллектора и эмиттера можно считать равными нулю. Из этого следует, что и ток коллектора транзистора Q2 равен 0. При этом ток базы и ток эмиттера Q2 определяются током через резистор R2, и они отличны от 0. Таким образом, транзистор Q2 открыт и насыщен.
В начальный момент времени напряжение на коллекторе Q1, выходное напряжение, практически равно напряжению источника питания. При этом напряжение на базе Q2 равно напряжению на прямо-смещенном p-n переходе (порядка 0.6 В).
Когда на вход интегратора поступает запускающий импульс, транзистор Q1 открывается, а Q2 выходит из насыщения. Теперь Q2 работает в активном режиме, что вызывает и некоторое изменение его тока базы. Это приводит и к небольшому изменению потенциала базы, так как изменяется падение напряжения на R2.
Однако, изменение напряжения на базе Q2 незначительно. При этом, так как Q1 открыт, изменение напряжения на базе Q2 приводит к изменению тока коллектора Q2, который равен току эмиттера Q1. И, как следствие, изменению тока коллектора Q1. А это изменяет и напряжение на коллекторе Q1, которое является выходным.
Конденсатор С1 разряжается. При этом напряжение на базе Q2 почти не изменяется (по сравнению с напряжением на заряженном конденсаторе), а напряжение на коллекторе Q1 отслеживает изменение напряжения на базе Q2. Эта обратная связь (отрицательная) и дает стабильность тока разряда конденсатора. И напряжение на коллекторе Q1, выходное напряжение, снижается практически линейно.
После окончания импульса на входе интегратора транзистор Q2 закрывается, а конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. Постоянная времени C1R1 и определяет время обратного хода.
Все описанные выше этапы работы интегратора хорошо видны. Зеленым цветом показан выходной сигнал, а красным сигнал на входе интегратора. Хорошо видно, что длительность рабочего хода равна длительности входного импульса интегратора.
Давайте проведем небольшой эксперимент по влиянию параметров схемы на выходной сигнал. Для этого увеличим сопротивление R1 до 51кОм.
Зеленым пунктиром здесь показан выходной сигнал со "старым" значением R1, то есть, до эксперимента. Как видно, действительно возросло время восстановления (время обратного входа). При этом время рабочего хода, как и ожидалось, не изменилось. Но вот минимальное значение выходного напряжения изменилось, так как тот же самый ток коллектора Q1 будет создавать на R1 большее падение напряжения, ведь сопротивление R1 увеличилось.
Такую зависимость работы схемы от параметров, казалось бы, второстепенных компонентов нужно учитывать. Я не стал приводить формулы описывающие работу интегратора во всех подробностях, это не является темой статьи. Но в эти формулы входят и параметры транзисторов, в том числе, коэффициент передачи тока базы. А значит, даже простая замена одного из транзисторов может потребовать дополнительной подстройки схемы.
Фантастрон
Иногда действительно требуется, что бы длительность рабочего хода однозначно задавалась длительностью импульса запуска. Тогда рассмотренный ранее интегратор Миллера является хорошим решением. Но иногда запускающий импульс гораздо короче времени рабочего хода. И в этом случае в схему интегратора нужно вводить какой то триггер, который будет устанавливаться запускающим импульсом и сбрасываться автоматически по окончании рабочего хода.
Хорошим вариантом является добавление еще одного транзистора, который и позволит решить задачу.
Мы добавили транзистор Q3, который вместе с транзистором Q1 образуют несимметричный триггер с эмиттерной связью - триггер Шмитта. Вот эта схема и называется фантастроном. А точнее транзисторным вариантом фантастрона работающим в ждущем режиме.
В исходном состоянии транзистор Q3 открыт, так как открыт транзистор Q2. Открытое состояние Q3 обеспечивает закрытое состояние Q1. В результате у нас начальное состояние собственно интегратора не отличается от ранее рассмотренного.
Но все таки есть одно существенное отличие. Теперь ток коллектора Q2 отличен от нуля и равен току эмиттера Q3. И это нужно учитывать при расчете, так как Q2 должен оставаться в состоянии насыщения.
При поступлении на вход интегратора короткого импульса запуска приводит к открыванию Q1. В результате напряжение на эмиттерах Q1 и Q3 скачком возрастает. Важно, что бы это напряжение превысило напряжение на базе Q3 и он закрылся.
С этого момента открытое состояние Q1 обеспечивается током базы протекающим через R3+R5. А интегратор работает так же, как описывалось ранее. В процессе разряда конденсатора С1 выходное напряжение генератора снижается, снижается и напряжение на эмиттерах Q1 и Q3. Когда это напряжение станет ниже напряжения на базе Q3 транзистор откроется и начнется процесс переключения триггера. В результате транзистор Q1 закроется, а схема вернется в начальное состояние.
Давайте теперь оценим влияние делителя в цепи базы Q3, который и задает порог переключения триггера. То есть, определяет момент окончания рабочего хода. Для этого уменьшим сопротивление резистора R7 до 75 кОм
Хорошо видно, что нижний уровень формируемого напряжения уменьшился с, примерно, 4.3 В до 3.8 В. Так как снизилось напряжение на базе Q3, которое и задает этот порог.
Влияние цепи запуска
Этот момент необходимо обговорить отдельно, так как большинство претензий в стиле
"схема кривая! ничего не работает!"
связано именно с неправильной схемой формирования импульсов запуска.
Для надежного запуска фантастрона необходимо обеспечить достаточный втекающий ток и напряжение для открывания Q1. Но вытекающий ток после окончания импульса запуска должен быть малым, что бы не оказывать влияния на работу фантастрона.
Именно по этой причине я использовал транзистор Q4 в схеме формирования запускающих импульсов, а не подключил источник V2 напрямую к разделительному конденсатору, как было сделано при рассмотрении интегратора Миллера. Иначе Q1 закрывался бы током разряда разделительного конденсатора С2 сразу после окончания импульса запуска и рабочий ход заканчивался бы одновременно с окончанием импульса запуска, как и раньше.
Кроме того, емкость разделительного конденсатора должна быть малой, что бы не оказывать влияния на линейность формируемого напряжения.
Заключение
Фантастрон сегодня практически забыт. Да он и раньше был довольно редко используемым вариантом ГЛИН. И еще реже подробно описывался даже в старых учебниках.
Само схемотехническое решение появилось еще в ламповую эпоху. Но появление транзисторов во многом нивелировало преимущества фантастрона. Не смотря на то, что транзисторный вариант был разработан (именно его я сегодня и рассматривал). Победа осталась за другими вариантами построения ГЛИН.
Тем не менее, фантастрон, на мой взгляд, полного забвения не заслуживает. Хотя бы как пример того, что даже в условиях ограниченности возможностей можно достичь впечатляющих результатов. Как пример инженерной, схемотехнической, мысли.
При этом надо четко понимать, что фантастрон это лишь расширение, модификация, идеи интегратора со следящей обратной связью. И пусть сегодня интеграторы собирают не на транзисторах, а на ОУ, сам принцип их работы остался тем же самым. И функциональный аналог фантастрона сегодня можно собрать на интеграторе на ОУ и триггере Шмитта на компараторе.