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.
