PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz
GENERATORY ELEKTRONICZNE
Generatory – samowzbudne przetworniki energii elektrycznej prądu stałego (lub o pewnej częstotliwości) na energię prądu zmiennego o określonych parametrach.
Klasyfikacja:
1. Ze względu na sposób generacji:
a) z ujemną rezystancją
b) z dodatnim sprzężeniem zwrotnym
2. Ze względu na kształt generowanych sygnałów:
a) generatory przebiegów sinusoidalnych (harmonicznych)
b) generatory przebiegów niesinusoidalnych
3. Ze względu na poziom generowanej mocy:
a) małej mocy (pomiarowe)
b) dużej mocy (przemysłowe).
Generatory napięć sinusoidalnych
Analiza wzmocnienia (transmitancji napięciowej) układu zawierającego pętlę SZ:
pokazuje, że układ staje się niestabilny (tzn. wytwarza sygnał na wyjściu bez doprowadzenia jakiegokolwiek sygnału sterującego) wtedy gdy: 1- k×b ® 0, czyli gdy k×b ®1.
Warunek k×b ®1 jako iloczyn liczb zespolonych może być spełniony tylko wtedy gdy:
A. czyli jest spełniony warunek amplitudy.
Warunek amplitudy pozwala obliczyć najmniejsze wzmocnienie wzmacniacza przy którym układ z czwórnikiem SZ może stać się generatorem:
w praktyce np.
Często warunek amplitudy wykorzystywany jest do graficznego wyznaczania amplitudy napięcia na wyjściu generatora:
B. Całkowite przesunięcie fazowe w pętli SZ również musi spełanić tzw. warunek fazy:
arg(k×b) =jk + jb = 0±2pn , gdzie n=0, 1, 2, ... Þ
Przesunięcie jk fazowe wzmacniacza podstawowego w zakresie częstotliwości środkowych przyjmuje w praktyce dwie wartości:
1. jk = 0 Þ gdy wzmacniacz nie zmienia na wyjściu fazy napięcia wejściowego
2. jk = p Þ gdy wzmacniacz odwraca na wyjściu fazę napięcia wejściowego
W tych dwóch przypadkach dla zrealizowania dodatniego sprzężenia zwrotnego należy zastosować układy sprzęgające, które zapewnią, że arg(k×b) będzie miał odpowiednią wartość:
Najprostsze przesuwniki fazy:
Górnoprzepustowy Dolnoprzepustowy
Przesunięcie fazy 180º można uzyskać w układzie zawierającym co najmniej trzy elementarne przesuwniki RC połączone kaskadowo:
Można wykazać, że trójsekcyjny układ drabinkowy RC, zawierający jednakowe rezystory R i kondensatory C, przy częstotliwości ma transmitancję:
W celu zbudowania generatora przebiegu sinusoidalnego czwórnik ten należy włączyć w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza odwracającego:
Z warunku amplitudy Þ
Przestrajanie generatora wykonuje się poprzez jednoczesną zmianę rezystancji wszystkich rezystorów lub jednoczesną zmianę pojemności wszystkich kondensatorów (co zapewnia stałą wartość impedancji wej/wyj Þ stałość współczynnika sprzężenia zwrotnego w trakcie przestrajania).
Dolnoprzepustowy czwórnik drabinkowy RC tłumi wyższe harmoniczne, co zapewnia małe zniekształcenia generowanego sygnału.
Jeżeli korzystamy ze wzmacniacza nieodwracającego to w pętli SZ stosuje się układ selektywny o przesunięciu fazowym równym zeru przy generowanej częstotliwości:
Transmitancja tego przesuwnika:
gdzie
Z warunku amplitudy Þ
Oprócz czwórników sprzęgających RC w generatorach stosowane są czwórniki LC (obwody rezonansowe), LM (transformatory) i RLCM (obwody rezonansowe + transformatory + straty).
Transformator odwracający:
Uwaga! W transformatorze warunek fazy może być spełniony w szerokim zakresie częstotliwości Þ niesprecyzowana częstotliwość generowanego przebiegu.
Dlatego, do pętli SZ wprowadza się elementy zapewniające jej selektywność.
Czwórnik SZ w postaci obwodu rezonansowego i transformatora wykorzystywany jest w generatorze Meissnera:
M – indukcyjność wzajemna cewek L1 i L2 (współczynnik sprzężenia magnetycznego)
Częstotliwość drgań:
Dla spełnienia warunku amplitudy:
Czwórniki sprzężenia zwrotnego typu LC
Generator Colpittsa Generator Hartley’a
Głównym wymaganiem w układzie generatora stawianym czwórnikowi sprzęgającemu jest zapewnienie dodatniego SZ dla jednej, ściśle określonej częstotliwości.
Jeżeli wymagana jest duża stałość częstotliwości generatora i małe zniekształcenia wówczas w pętli SZ zamiast obwodów rezonansowych LC stosuje się rezonatory kwarcowe.
Rezonatorowi kwarcowemu (piezoelektrycznemu) można przypisać schemat zastępczy w formie elektrycznego obwodu rezonansowego:
Straty w obwodzie zastępczym kwarcu reprezentowane są przez rezystancję R i są bardzo małe Þ
przy czym
gdzie ws – częstotliwość rezonansu szeregowego
wp - częstotliwość rezonansu równoległego
Ponieważ C0 >> C Þ ws @wp przy czym każda z tych pulsacji jest ściśle określona i stała dla danego rezonatora.
Rezonator kwarcowy może zatem w układach generacyjnych (jak również w układach filtrów elektrycznych) pełnić funkcję elementu sprzęgającego o bardzo dużej selektywności i stałości parametrów.
Jednym z możliwych rozwiązań jest układ z mostkiem Wiena:
Rezonator kwarcowy może być również stosowany do stabilizacji częstotliwości generatorów LC (Colpittsa, Hartley’a, Pierce’a itp.)
Elementy układu dobiera się tak, aby:
GENERATORY SYGNAŁÓW NIESINUSOIDALNYCH
Generatory przebiegów prostokątnych
Układ może znajdować się w jednym z dwóch stanów stabilnych:
1. T1 nie przewodzi prądu (jest zatkany), wtedy prąd bazy T2 jest równyi jeżeli suma rezystancji w mianowniku jest niezbyt duża to prąd ten wystarcza do nasycenia T2.
Napięcie nasycenia na kolektorze T2 (0,1V dla Si, 0,3V dla Ge) przeniesione na bazę T1 nie wystarcza do włączenia tranzystora T1 Þ pozostaje on w stanie zatkania jak na początku.
Przerzutniki bistabilne
Ten pierwszy stan stabilny utrzymuje się do czasu doprowadzenia z zewnątrz impulsu przełączającego (wyzwalającego), który spowoduje chwilowy wzrost potencjału kolektora T2 (lub bazy T1).
2. T1 zaczyna przewodzić prąd, który samorzutnie narasta (wskutek dodatniego SZ istniejącego w tym układzie) aż do nasycenia T1 i zatkania T2.
Ten drugi stan stabilny utrzymuje się do chwili doprowadzenia kolejnego impulsu wyzwalającego.
Uwaga!
Impuls wyzwalający potrzebny do zapoczątkowania akcji przerzutu z jednego stanu do drugiego może być krótki i mieć małą amplitudę, gdy tranzystor przewodzący jest „lekko nasycony”. W przeciwnym razie impuls wyzwalający musi mieć dostatecznie dużą energię aby wyprowadzić tranzystor z nasycenia.
W celu skrócenia czasu przełączania, równolegle z rezystorami RB1, RB2 włącza się pojemności przyspieszające. Wartości pojemności przyspieszających można obliczyć (metodą kompensacji pojemności wejściowych) bądź wyznaczyć doświadczalnie np. z użyciem oscyloskopu.
Przerzutniki bistabilne obecnie buduje się w postaci scalonej i są stosowane np. w układach dzielników cyfrowych.
Przerzutniki monostabilne
Połączenie kolektora T1 z bazą T2 za pomocą pojemności oznacza, że pętla SZ jest zamknięta tylko dla składowej zmiennej Þ w stanie ustalonym T1 jest wyłączony zaś T2 nasycony (jeżeli RB2 ma dostatecznie małą rezystancję).
T2 można wyprowadzić z nasycenia obniżając potencjał jego bazy za pomocą ujemnego impulsu wyzwalającego Þ wtedy T1 znajdzie się w stanie nasycenia a T2 w stanie zatkania.
Po upływie czasu związanym z naładowaniem przez RB2 pojemności C2, T2 ponownie zostanie włączony a T1 zatkany. Układ pozostaje w tym stanie do chwili pojawienia się następnego impulsu wyzwalającego.
...