Электронный генератор тока

БИЛЕТ №7

7–1 Электронные генераторы: назначение, классификация, применение, разновидности

Генератор, или автогенератор – это самовозбуждающаяся система, в которой энергия источника питания постоянного тока преобразуется в энергию переменного сигнала нужной формы и частоты. Без сомнения, генераторы являются весьма важным элементом электроники.

Генераторы бывают:

§     низкочастотные (НЧ) – до 100 кГц

§     высокочастотные (ВЧ) – от 0,1 до 100 МГц

§     сверхвысокочастотные (СВЧ) – выше 100 МГц

По форме колебаний генераторы делятся на гармонические (синусоидальные) и негармонические (импульсные). По способу возбуждения – с внешним возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы).

В чём же суть генерации колебаний? Ненадолго обратимся к физике. Из этой самой физики известно, что если к цепи, состоящей из параллельно соединенных кондера и катушки индуктивности, кратковременно подключить источник постоянного тока (рис. 1), то будет происходить следующий процесс. Кондер зарядится до некоторого значения и после этого начнет разряжаться через катушку. Катушка в этот момент по сути будет накапливать энергию.

Рис. 1 – Создание колебаний в контуре

После того, как кондер разрядится (а катушка, соответственно, накопит энергию), процесс пойдет в обратном порядке, т.е. накопленная в катушке энергия будет заряжать кондер и т.д. Другими словами, в этой цепи, которая называется параллельный колебательный контур, будут происходить колебания. В идеальном контуре эти колебания будут незатухающими, т.е. во времени будут продолжаться бесконечно. Но поскольку катушка имеет некое конечное сопротивление, да и кондер не подарок, в контуре будут потери энергии, и колебания, соответственно, будут постепенно затухать. На рис. 2 показана картина в реальном контуре.

Рис. 2 – Затухающие колебания в контуре

Вообще, вроде затухание должно проходить по экспоненте. Короче, ни формул, ни всяких доказательств и прочей ерунды писать не буду, важно понять суть процесса. Если вкратце, то кратковременно замкнув ключ К в контуре возникают затухающие колебания. Процесс понятен?

Едем дальше. Так, затухающие колебания получили. Что же сделать, чтобы они были незатухающими? Очевидно, что в контур надо добавлять потерянную энергию. Ключом клацать бессмысленно, значится надо воткнуть какой-то электронный прибор, который будет пополнять потери энергии в контуре.

Теперь отвлечёмся от контуров и посмотрим на упрощенную структуру автогенератора.

Рис. 3 – Структура автогенератора

Здесь мы видим какой-то треугольник и прямоугольник. УЭ – это усилительный элемент с коэффициентом передачи К, а ПОС – это положительная обратная связь с коэффициентом передачи β. Колебания в этой системе возникнут только при соблюдении двух условий. Их надо запомнить:

1.                Условие баланса амплитуд:

βK≥1

2.                Условие баланса фаз:

φ1 + φ2 = 2πn,

где n – 0, ±1, ±2,…

И ещё раз, генерация колебаний происходит при выполнении двух условий: условия баланса фаз и условия баланса амплитуд.

LC-генератор так называется, потому что в нём используется LC-контур. Это, в принципе, понятно. Итак, обобщенная схема LC-автогенратора показана на рисунке 1.

Рис. 1 – LC-автогенератор

Вот такая несложная схемка. Элементы R1, R2, R3C3 обеспечивают необходимый режим по постоянному току усилительного элемента и его термостабилизации. Элементы L2C2 образуют параллельный колебательный контур.

В момент включения питания в коллекторной цепи транзистора VT появляется коллекторный ток, заряжающий емкость С2 контура L2С2. В следующий момент времени заряженный кондер разряжается на катушку индуктивности. В контуре возникают свободные затухающие колебания частотой f0 = 1 / 2π√L2C2.

Переменный ток контура, проходя через катушку L2, создает вокруг неё переменное магнитное поле, а это поле в свою очередь наводит в катушке L1 переменное напряжение, которое вызывает пульсации тока коллектора транзистора VT. Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нём усиленное переменное напряжение.

Трёхточечные схемы автогенераторов. Индуктивная трехточечная схема

Индуктивная трехточечная схема показана на рис. 2.

Рис. 2 – Индуктивная трехточечная схема

Элементы R1, R2, R3C3, как и в предыдущей схеме, обеспечивают режим работы по постоянному току транзистора VT, в коллекторную цепь которого включен колебательный контур L'L «C2. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора VT (или с L»), сигнал ПОС – с катушки L'. Поскольку напряжения этих сигналов противофазны, то автоматически выполняется условие баланса фаз. Сигнал ПОС подается на базу транзистора через разделительный кондер, сопротивление которого на частоте генерации мало. Этот кондер предотвращает попадание постоянной составляющей в базовую цепь (через катушку). Общая точка L' и L'' подключена к источнику питания, сопротивление которого переменному току незначительно. Условие баланса амплитуд выполняют подбором числа витков L'L''.

Частота генерации определяется по формуле:

Трехточечные схемы называются трехточечными, поскольку, если внимательно посмотреть на схему, контур подключается к трех выводам транзистора (или другого усилительного прибора). Первая точка – это коллектор транзистора – нижний (по схеме) вывод контура, вторая – база – верхний вывод контура через кондер С1 и третья точка подключена к эмиттеру через источник питания, а точнее средний вывод контура через кондер С5, общий провод, цепь R3C3 подключен к эмиттеру.

Емкостная трехточечная схема

Емкостная трехточка показана на рисунке 3.

Рис. 3 – Емкостная трехточечная схема

В этой схеме, аналогично предыдущей, режим по постоянному току определяют элементы R1, R2, R3, R4C2. В коллекторную цепь транзистора включен контур L1C3C4. Сигнал ПОС снимается с кондера С4 и через кондер С1 поступает в базовую цепь. С1 не пропускает высокое коллекторное напряжение на базу транзистора. Общую точку кондеров С3, С4 можно считать подключенной к источнику питания, поскольку его сопротивление переменному току незначительно.

Частота генерации определяется по формуле:

Стабизизация частоты

Очень важным требованием, предъявляемым к генераторам, является стабильность частоты генерируемых колебаний. Нестабильность частоты зависит от многих факторов, а именно:

1.                Изменение окружающей температуры

2.                Изменение напряжения источника питания

3.                Механическая вибрация и деформация деталей

4.                Шумы активных элементов

Нестабильность частоты оценивается коэффициентом относительной нестабильности:

Существует два способа стабилизации частоты:

1.                Параметрический способ стабилизации

2.                Кварцевый способ стабилизации

При первом способе используется изготовление деталей из материалов, мало изменяющих свои свойства при изменении температуры и других факторов. Используется экранирование и герметизация контуров, высокая стабильность источника питания, рациональность монтажа и прочее. Однако этим методом нельзя обеспечить высокую стабильность частоты. Относительный коэффициент нестабильности частоты колеблется в пределах 10-4 – 10-5.

Значительно большей стабильности можно достичь, если применить способ кварцевой стабилизации, основанный на применении кварцевого резонатора. Кварцевые пластины резонатора обладают пьезоэлектрическим эффектом, который, если кто забыл, бывает двух видов:

1.                Прямой пьезоэффект – при растяжении или сжатии кварцевой пластины на её противоположных гранях возникают равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению, а знаки зависят от направления силы давления

2.                Обратный пьезоэффект – если к граням кварцевой пластины приложить электрическое напряжение, то пластина будет сжиматься или расжиматься в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рис. 4, а зависимость реактивного сопротивления от частоты – на рис. 5.

Рис. 4 – Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Рис. 5 – Зависимость характера сопротивления от частоты

Особо не вдаваясь в подробности теории цепей, из рисунка 4 видно, что кварц может быть эквивалентом как последовательного колебательного контура, так и параллельного. Это также видно из рисунка 5. На частоте f01 происходит резонанс напряжений. Эта частота определяется по формуле:

На частоте f02 происходит резонанс токов, и эта частота определяется по формуле:

Таким образом, кварцевый резонатор можно включать вместо кондера, либо вместо катушки в контуре. При использовании кварцевого способа стабилизации коэффициент относительной нестабильности достигает 10-7 – 10-10.

RC-автогенераторы

В предыдущей главе рассматривались LС-автогенераторы. Они применяются на высоких частотах. Если же необходимо генерировать низкие частоты, применение LС-генераторов становится затруднительным. Почему? Всё очень просто. Поскольку формула для определения частоты генерирования колебаний выглядит вот так:

то нетрудно заметить, что для уменьшения частоты необходимо увеличивать емкость и индуктивность контура. А увеличение емкости и индуктивности напрямую влечёт увеличение габаритных размеров. Другими словами, размеры контура при этом будут гигантскими. А со стабилизацией частоты дело будет обстоять ещё хуже.

Поэтому придумали RC-автогенераторы, которые здесь мы и рассмотрим.

Наиболее простым RC-генератором является так называемая схема с трехфазной фазирующей цепочкой, которая ещё называется схемой с реактивными элементами одного знака. Она показана на рис. 1.

Рис. 1 – RC-автогенератор с фазовращающей цепочкой

Из схемы видно, что это всего-навсего усилитель, между выходом и входом которого включена цепь, которая переворачивает фазу сигнала на 180º. Эта цепь называется фазовращающей. Фазовращающая цепочка состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3. С помощью одной цепочки из резика и кондера можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Для колебаний остальных частот условия самовозбуждения выполнятся не будут и они, соответственно, быстро затухают. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R

C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Помимо рассмотренного генератора с использованием фазовращающей цепи имеется ещё интересный, кстати наиболее употребительный, вариант. Посмотрим на рис. 2.

Рис. 2 – Пассивный полосовой RC-фильтр с частотно-независимым делителем

Так вот, эта самая конструкция представляет собой так называемый мост Вина-Робинсона, хотя наиболее часто встречается название просто мост Вина. Ещё некоторые грамотеи пишут мост Вина с двумя «н».

Левая часть этой конструкции представляет собой пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение. Правая часть есть ни что иное, как частотно-независимый делитель. Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Конечно, все как обычно рассматривается в идеальном или приближенном к идеальному случаях. Ну а реально дело, как всегда, обстоит немного хуже. Поскольку каждый реальный элемент моста Вина имеет некоторый разброс параметров, даже незначительное несоблюдение условия R3=2R4 приведет либо к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя, либо к затуханию колебаний или полной их невозможности.

Для того, чтобы было совсем понятно, втулим в мост Вина усилительный каскад. Для простоты воткнем операционный усилитетель (ОУ).

Рис. 3 – Простейший генератор с мостом Вина

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резика R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление. К примеру, нелинейный резик, управляемое сопротивление с помощью транзисторов, как полевых, так и биполярных. Очень часто резик R4 в мосте заменяют микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если резики R1 и R2 заменить переменным, но только сдвоенным, то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации. Можно и кондеры С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резиком плавно регулировать частоту в диапазонах. Для тех, кто в танке, почти практическая схема генератора с мостом Вина показана на рисунке 4.

Рис. 4 – RC-генератор с мостом Вина

Итак, мост Вина образуют кондеры С1-С8, сдвоенный резик R1 и резики R2R3. Переключателем SA1 осуществляется выбор диапазона, резиком R1 – плавная регулировка в выбранном диапазоне. ОУ DA2 представляет собой повторитель напряжения для согласования с нагрузкой. В принципе, повторитель можно заменить усилителем, ксати на том же самом ОУ, ну а как это сделать, можно почитать

7–2 Генераторы постоянного тока: Режимы работы, характеристика

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 11.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Рис. 11.1

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.

Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.

Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.

Страницы: 1, 2