АВТОГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Автогенераторы синусоидальных колебаний по виду элементов, вхо­дящих в звенья обратной связи, подразделяются на автогенераторы LC- типа (высокочастотные) и автогенераторы RС-типа ( низкочастотные)

Автогенераторы LС-типа. Принцип действия автогенератора LC-типа рассмотрим на примере устройства, схема которого изображена на рис.а. В этом автогенераторе усилитель собран на биполярном транзис­торе VTи включен по схеме с общим эмиттером. Звеном обратной связи является резонансный контур включенный в базовую цепь тран­зистора. Катушка резонансного контура индуктивно связана с катуш­кой , включенной в коллекторную цепь транзистора. В свою очередь катушка  индуктивно связана с , с которой снимается выходное напряжение. Первоначально колебания в автогенераторе возникают Или из-за флуктуаций тока в транзисторе, колебательном контуре или при подаче напряжения питания. По этим причинам появляются слабые Колебания с частотой  , которые в отсутствие положитель­ной обратной связи должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в Контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не проис­ходит. Действительно, появившееся на контуре напряжение  усиливает­ся транзистором. Эти колебания через катушку , индуктивно связан­ную с катушкой , вновь возвращаются в колебательный контур. Размахколебаний быстро нарастает (см. рис. 4.2,б), что соответствует условию  По мере роста амплитуды напряжения в цепи базы транзистора из-за нелинейности амплитудной характеристики (участок ab на рис. 4.2,в) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение  становится равным единице. При этом появляются колебания с пос­тоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне ампли­тудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму ав­токолебаний.

Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте ш₀ потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания  через катушку . Отметим, что баланс амплитуд обусловливает не­изменную амплитуду стационарных колебаний.

Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осущес­твляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180°, что видно из (4.5): . Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных кату­шек и  (направления намотки витков катушек резонансного кон­тура и коллекторной цепи должны быть противоположными). Так же как и баланс амплитуд, баланс фаз поддерживается в автогенераторе автоматически. Каждый из сдвигов фаз в условии (4.5) зависит от частоты по-разному, но для появления колебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, равная резонансной частоте контура Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний.

Рис 4.2 Автогенератор LC-типа а — схема, б — возникновение колеба ний в автогенераторе, в — амплитудная характеристика усилителя

Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, то появ­ляются колебания сложной формы ( в том числе прямоугольной), состо­ящей из нескольких гармонических или большого числа гармоник.

Высокими техническими показателями обладают LC-автогенераторы, в которых в качестве усилителей используются операционные усилители (ОУ). В связи с очень высоким коэффициентом усиления ОУ кроме положительной обратной связи, где используется LC-kohтур, вводится достаточно глубокая отрицательная обратная связь, что существенно повышает стабильность работы автогенератора. При­нципиальная схема такого автогенератора на ОУ изображена на рис.4.3. Резисторы ,  и  образуют цепь отрицательной обрат­ной связи. Резонансный LC-контур и резистор включены в звено с положительной ОС.

Для стабилизации амплитуды выходного напряжения в звене от­рицательной обратной связи используют терморезистор . При уве­личении, например, выходного напряжения автогенератора по какой- либо причине ток через терморезистор  возрастает, а его сопротив­ление уменьшается. В результате коэффициент усиления усилителя уменьшается. Переменный резистор  необходим для точной регули­ровки выполнения условия баланса амплитуд.

Задача 4.1. Определить сопротивление резистора  при котором в автогенераторе LC-типа на ОУ (см,рис.4.3) возникнут незатухаю­щие автоколебания, если =100 кОм, а  кОм, сопротив­ление резонансного контура на частотеf₀ = 1 кОм.

Решение:1. Определим коэффициент положительной обрат­ной связи  на резонансной частотеf₀ :

Рис.3.42 Схема интегрирующего усилителя

2. Рассчитаем коэффициент усиления усилителя в автогенераторе , исходя из условия баланса амплитуд

.

Для выполнения условия  примем .

3. Определим сопротивление резистора R\ в неинвертирующем уси­лителе:

Задача 4.2.* Определить сопротивление в автогенераторе (смрис.4.3), если сопротивление резонансного контура  на часто­те  и параметры звеньев обратной связи заданы в таблице.

Вариант	1	2	3	4	5	6
	1,5	2,0	1,2	0,9	1,0	0,7
	91	150	200	180	120	110
,кОм Ответ	2,5	4,7	12,0	6,2	5,1	7,5
,кОм	54,6	63,8	20	26,1	23,5	10,3

Задача 4.3. Определить  неинвертирующего усилителя в авто­генераторе (рис.4.3), если =1,8 кОм, =150 кОм.

Ответ: =84,3.

Автогенераторы RС-типа. Для получения гармонических колеба­ний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RС-четырехполюсники. Такие автоге­нераторы получили название автогенераторов RC-типа. Применение RС-четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких час­тотах становятся громоздкими, а их добротность, ниже необходимыхтребований. С помощью автогенераторов RС-типа можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц. Однако преимущест­ва автогенераторов RС-типа проявляются именно на низких и инфра- низких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов автогенераторы RC-типа обладают бо­лее высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стои­мость, чем LC-автогенераторы. Для создания автогенераторов RC- типа широко используют биполярные и полевые транзисторы и ОУ.

В соответствии со структурной схемой автогенератора, изображен­ной на рис. 4.1, автогенератор RC-типа содержит усилитель на тран­зисторе или ОУ и звено обратной связи, являющееся частотно-зависи­мой RC-цепью. Как правило, такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RC-цепи (рис.4.4 ,а,б), мост Вина (рис.4.4,в).

Рис.4.4. Частотно- зависимые цепи: а,б — Г-образные RC-цепи; в — мост Вина

Рис.4.5. Схема автогенератора ЯС-типа с фазосдвигающей Г-образной RC- цепью (а), с Г-образным RC-звеном обратной связи, в котором RиC поменя­ли местами (б)

Автогенератор RC -типа с Г-образным RC -звеном обратной связи представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель, охвачен­ный обратной связью (рис. 4.5,а). Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по Фазе на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100%-ная отрицательная обратная связь. Для соблюде- ния баланса фаз, т.е. для введения положительной обратной связи в уси­лителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, ^Необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопро­тивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC -звеньев каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте

, а баланс ам­плитуд — при коэффициенте усиления . Если в рассматриваемом автогенераторе поменять местами резисторы и конденсаторы (рис. 4.5,бу то генерация автоколебаний будет на частоте  при коэффц. циенте усиления 11,8.

Отметим, что Г-образные  -цепи иногда выполняют с количест­вом звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и кон­денсаторов в  -цепи того же генератора.

Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными  -цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем слу­чае в узком перестраиваемом диапазоне.

Рассмотренный автогенератор -типа имеет ряд недостатков:

1) цепь обратной связи сильно шунтирует усилительный каскад, вследст­вие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т.е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми;

2) генерируемые колебания имеют значительное искажение фор­мы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к . Это объясняемся отсутствием стро­гой избирательности к основной частоте Г-образных -цепей.

На рис. 4 6,а изображена принципиальная схема -автогенератора на ОУ с мостом Вина в цепи положительной обратной связи. Мост Вина состоит из резисторов ,  и конденсаторов , . На частоте , где , а  , мост Вина имеет коэффициент передачи  =1/3 и нулевой угол сдвига фаз (см.рис. 4.6,б). В таком генераторе мост Вина включают между выходным выводом ОУ и его неинвертирующим входом, чем достигается введе­ние положительной обратной связи. В автогенераторе с мостом Вина ОУ должен иметь коэффициент усиления . У ОУ коэф­фициент усиления много больше трех. Следовательно, форма синусоидаль­ных колебаний может быть сильно искажена. Во избежание этого вводят сильную отрицательную обратную связь, т.е.  Наличие терморезистора  стабилизирует амплитуду выходно­го сигнала и снижает нелинейные искажения. Для регулирования час­тоты /₀ изменяют либо сопротивление обоих резисторов и , либо емкости конденсаторов и моста Вина.

Следует отметить, что автогенератор с мостом Вина обеспечивает простую перестройку частот в широком диапазоне их изменения. По этой причине автогенератор RC-типа с мостом Вина чаще других автогенераторов применяют для получения синусоидальных колебаний в диапазоне от 1 до 10⁶ Гц.

а)                                                                                              в)

Рис 4.6. Автогенератор RC-типа с мостом Вина на операционном усили­теле: а — схема автогенератора, б,в — амплитудно-частотная и фазочастот­ная характеристики моста Вина

Задача 4.4. Определить сопротивление резистора в автогенера­торе ЯС-типа на ОУ (см.рис. 4.6,а), при котором возникнут синусои­дальные колебания, если суммарное сопротивление резисторов  и  будет равно 10 кОм.

Ответ: R₄=5 кОм.

4.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ

Стабильность частоты автогенераторов является одним из важ­нейших параметров, в значительной степени определяющих надеж­ность и точность работы устройств промышленной электроники. Нес­табильность частоты генерируемых колебаний зависит от изменений температуры, влажности, давления, от механических воздействий, ко­лебаний напряжения питания, внешних электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов. Воздействие дестабилизирую­щих факторов на стабильность частоты проявляется в изменении ем­костей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлений ре­зисторов, входящих в состав колебательных контуров и RС-цепей об­ратных связей. Стабильность частоты автогенераторов зависит также от паразитных емкостей и индуктивностей и их изменений, которые так или иначе влияют на частоту  и которые необходимо учитывать при расчетах и настройке автогенераторов.

Влияние температуры сказывается на изменениях линейных размеров индуктивных катушек и конденсаторов. Так, с повышением температурылинейные размеры указанных элементов изменяются, что влечет за со­бой изменение емкости и индуктивности колебательного контура соот­ветственно на С и L.

Относительное изменение емкости конденсатора С/С при изме­нении температуры на 1 °С называют температурным коэффициен­том емкости (ТКС). Он может быть как положительным, так и отри­цательным. Например, керамические конденсаторы выпускают как сположительным, так и отрицательным ТКС порядка . Относительное изменение индуктивности катушки L/L при измене­нии температуры на 1°С называют температурным коэффициентом индуктивности (TKL). У лучших по термостабильности катушек TKLимеет значение . При изменении температуры изме­няется и сопротивление резисторов. Относительное изменение сопротив­ления резистора R/R при изменении температуры на 1°С называют температурным коэффициентом сопротивления (TKR). Оно также мо­жет быть положительным и отрицательным. У линейных углеродистых резисторов широкого применения типов ВС и УЛИ TKR отрицатель­ный и имеет значение . Металлизированные резисторы широкого применения, например, типа МЛТ, имеют положительный TKR порядка .

Следует отметить также, что на нестабильность генерируемой час­тоты, вызванную изменением температуры, сильно влияют изменения параметров транзисторов.

Нестабильность частоты автогенераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности  , где  — рабочая (номинальная) частота автогенератора;  — отклонение частоты от рабочей.

Коэффициенты относительной нестабильности определяют по формулам:

для LC-автогенераторов

дляRС-автогенераторов

 (4.8)

)

где  ,  и — приращения соответственно индуктивностей ка­тушек. емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, вызван­ные воздействием дестабилизирующих факторов.

Для уменьшения нестабильности частоты используют различные спо­собы стабилизации. Различают параметрическую и кварцевую стабилиза­цию частоты.

Параметрическая стабилизация частоты сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту генерируемых колебаний, а также к подбору элементов генератора, обеспечивающих минимальные измене­ния частоты. Для уменьшения влияния температуры на изменение емкос­ти конденсаторов и сопротивления резисторов в автогенератор включают конденсаторы и резисторы с отрицательными и положительными ТКС и TKR. Снижение воздействия температуры на индуктивность катушек до­стигается за счет применения специальных материалов для каркасов ка­тушек. Для исключения влияния температуры на параметры транзисторов в отдельных случаях автогенераторы помещают в термостат.

Уменьшение влияния механических ударов и вибрации достигается применением массивных корпусов (шасси), на которых крепят детали ав­тогенератора, амортизационных прокладок из губчатой резины, специаль­ных подвесок и т.д. Печатный монтаж и использование проводов индук­тивных катушек, вжигаемых в керамику, практически полностью устра­няют влияние механических воздействий. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10^-5.

Для уменьшения воздействия внешних электромагнитных полей авто­генераторы обычно полностью экранируют. Применение стабилизаторов напряжения исключает влияние на частоту колебаний питающего напря­жения.

Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении кварце­вых резонаторов, что дает очень йизкую нестабильность частоты, обычно порядка 10^-8

Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину прямо­угольной либо круглой формы, вырезанную определенным образом из кристалла кварца, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на про­тивоположных ее гранях появляются разноименные электрические заря­ды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяют­ся на обратные (прямой пьезоэффект), При воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают механичес- кие упругие колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на ее гранях. Таким образом, Дастина кварца представляет собой электромеханическую систему, обла­дающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических Размеров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота ) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от нескольких  единиц килогерц до 1000 МГц.

Рис 4 7 Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а), характер измене­ния сопротивления кварцевого резонатора в зависимости от частоты (б)

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис. 4 7,а Как видно, кварц эквивалентен последовательно включенным эле­ментам  ,  и , а в такой цепи может быть резонанс напряжения счастотой . Индуктивность кварца  может быть значитель­ной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца  мала (сотые доли пикофарад ). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает10⁵ — 10⁶, те она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — индуктивной катушке и кон­денсаторе.

Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обла­дает емкостью , равной нескольким десяткам пикофарад, то в кварце­вом резонаторе наблюдается и резонанс токов с частотой

На частотах ниже  и выше  эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит емкостной характер (см.рис.4.7,б), а на частотах выше  и ниже  — индуктивный характер. Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливают его различное включение в автогенератор Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур (рис.4 8,а), как ин­дуктивный или емкостный элементы ветви колебательного контура.

Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — У некоторых кристаллов она имеет значение 10^-8

На рис 4 8,бизображена схема автогенератора RС-типа на ОУ с мос­том Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор КВ работающий в режиме резонанса напряжений.

Рис 4.8 Автогенератор с кварцевой стабилизацией а — включение кварцево­го резонатора как последовательного колебательного контура, б — включение кварцевого резонатора в режиме резонанса напряжения

В этом автогенераторе для выполнения баланса амплитуд необходимо строго выдерживать коэффициент усиления . Для этого вводится цепь нелинейной отрицательной обратной связи — диод VD, , , , ,VT, в которой полевой транзистор VT используется как элемент с переменным сопротивлением промежутка сток — исток . Этосопротивление возрастает, если напряжение затвора становится бо­лее отрицательным Как видно из схемы, коэффициент усиления ^с увеличением  уменьшается и наоборот. Отрицатель­ное напряжение  формируется выходным напряжением генератора после его выпрямления диодом VD и сглаживанием фильтром  ирезистивным делителем .

Такой автогенератор является эталонным генератором и применяется в прецизионных измерительных системах.

Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенерато­рах, работающих на фиксированных частотах (низкой и высокой), что является ее недостатком.

Рассмотренные кварцевые автогенераторы являются простейшими Современный кварцевый автогенератор с высокой стабильностью частоты представляет собой довольно сложное устройство, содержащее стаби­лизаторы напряжения питания, а также такие элементы параметрической стабилизации, как амортизаторы и влагозащитные устройства.

Задача 4.5. Определить абсолютную нестабильность частоты коле­баний автогенераторе (см.рис.4.3), если температура в автогене­раторе увеличилась с 20°С до 40°С, индуктивность катушки контура L_K=100 мкГн, емкость конденсатора С_к =100 пФ, температурный ко­эффициент индуктивности TKL= 60 10^-6 1/°С, температурный коэф­фициент емкости ТКС= 40 0^-6 1/°С Решение:

Определяем по формуле (4 7)

Рассичтываем

,

.

4.5. ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Подобно генераторам синусоидальных колебаний импульсные ге­нераторы работают в режиме самовозбуждения. Это означает, что в состав такого устройства входит широкополосный по частоте усили­тель и звено положительной обратной связи, куда входит элемент, накапливающий энергию от источника питания. Такими элементами, как известно, являются конденсаторы и индуктивные катушки (чаще применяются конденсаторы) Широкополосность усилителя является характерным признаком всех импульсных генераторов, так как усло­вие самовозбуждения  для получения, например, прямоуголь­ных импульсов, должно выполняться в широком спектре частот гар­монических колебаний, из которых состоят эти импульсы

Мультивибраторы Для получения прямоугольных импульсов ши­роко применяют мультивибраторы .Мультивибраторы выпускаются в виде интегральных микросхем и часто выполняются на ОУ, в от­дельных случаях — на дискретных элементах, транзисторах, резисто­рах и конденсаторах.

Любой мультивибратор, как импульсный генератор, состоит из усилителя и RС-цепей. Мультивибраторы могут работать в режиме автоколебаний и в ждущем режиме.

В мультивибраторе, работающем в режиме автоколебаний, на вы­ходе непрерывно возникают импульсы прямоугольной формы У ждущего мультивибратора прямоугольный импульс на выходе появляется толь­ко тогда, когда на вход подается запускающий импульс.

На рис. 4.9,а представлена схема мультивибратора на ОУ, работа­ющего в режиме автоколебаний.

Рассматриваемый мультивибратор является симметричным, т.е. длительности импульса  и паузы равны (см.рис.4.9,б). Основной частью его является операционный усилитель с положительной обратной связью ( , ), называемый триггером Шмитта. Поэтому на выхо­де мультивибратора напряжение может быть равно  либо  Пусть выходное напряжение мультивибратора равно Оно подается, с одной стороны, на -цепь (цепь отри­цательной обратной связи), а с другой — на -цепь (цепь пол­ожительной обратной связи). Конденсатор С начинает заряжаться от напряжения  через резистор . При этом напряжение на конденсаторе  , а оно является напряжением на инвертирующем входе, непрерывно сравнивается с напряжением на неинвертирующем входе, которое равно где . Как только Напряжение на конденсаторе С достигает значения  выходное напряжение мультивибратора скачком изменяется до . С этого момента времени конденсатор С перезаряжается через резистор  , а напряжение на конденсаторе стремится к По когда напряжение на нем станет равным ,выходное напряжение мультивибратора скачком изменит знак и про­цессы начнут повторяться вновь.

Для определения длительности импульса  следует рассмотреть зарядку конденсатора С от источника, которым является напряжение  Как известно из электротехники, процесс зарядки конденсатора описывается дифференциальным уравнением

Решением этого уравнения является выражение

 ,                                                                   (4.9)

где .

Если процесс зарядки конденсатора начинается в момент времени г₂и заканчивается в момент времени (см.рис. 4.9,б), то для данной схемы предыдущее решение запишется так:

 ,                              (4.9')

где .

Положив в выражении (4.9')  и далее пролога­рифмировав его, находим

                                                     (410)

Если , то

.                                                                         (4.10')

При  мультивибратор называют симметричным. В таком мультивибраторе

(4.11)

где

На рис 4.10 изображена схема несимметричного мультивибрато­ра, у которого .Это неравенство обеспечивается разными постоянными времени RС-цепей мультивибратора для  и  Из рис.4.10 видно, что разные постоянные времени получаются за счет вклю­чения двух параллельных ветвей, состоящих из резисторов и диодов (  ,  и , ). В таком мультивибраторе ток появляется в ветви  когда выходное напряжение имеет значение  , и в ветви ,— когда выходное напряжение равно C учетом этого, а также (4.10), можно записать:

;

.                                                  (4.12)

Длительность фронтов генерируемых импульсов зависит от типа ОУ и составляет обычно не более 0,5 мкс.

Схема мультивибратора на ОУ, работающего в ждущем режиме (одновибратора), изображена на рис.4.11,а. С приходом запускающе­го импульса  (см.рис.4.11,б) мультивибратор переходит в неустой­чивое состояние, которое может продолжаться некоторое время , определенное времязадающей С-цепью, после чего устройство воз­вращается в исходное устойчивое состояние.

Рис.4.1.1. Схема (а) и временные диаграммы (б) ждущего мультивибратора

Для создания устойчивого состояния (ждущего режима) параллельно конденсатору С включают диод VD (см,рис. 4.11 ,а) с полярностью, при которой напряжение на диоде и конденсаторе, а следовательно, и на инвертирующем входе ОУ будет равно прямому напряжению диода. Этому соответствует напряжение на выходе одновибратора . Входное запускающее напряжение, большее  скачком перебрасывает устройство в состояние, когда на выходе по­является напряжение  На неинвертирующий вход ОУ пере­дается напряжение  поддерживающее некоторое время в этом состоянии ждущий мультивибратор. В это время конденсатор Сстремится зарядиться до напряжения  через резистор  с постоянной времени . Как только напряжение на конденса­торе С сравняется с напряжением устройство скачком перейдет из неустойчивого в устойчивое состояние и будет ждать при­хода следующего запускающего импульса.

Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора

Отметим, что процесс перехода мультивибратора из неустойчиво­го состояния в исходное устойчивое состояние (процесс восстановле­ния), определяемый скоростью зарядки конденсатора С, должен быть завершен к приходу следующего запускающего импульса.

Помимо рассмотренных мультивибраторов промышленность выпус­кает специализированные мультивибраторы в интегральном исполнении.

Вопрос 4.2. Как повлияет на работу мультивибратора замена ОУ типа 140УД7наОУ типа 140УД8?

Варианты ответа

4.2.1. Никак не повлияет;

4.2.2 Увеличится амплитуда ;

4.2.3. Уменьшится частота генерируемых колебаний;

4.2.4 Увеличится частота генерируемых колебаний;

32.5. Уменьшится амплитуда .

Генератор линейно изменяющегося напряжения. Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) —устройство, вырабатывают^ импульсное напряжение пилообразной формы (рис.4.12). Это напряже­ние характеризуется рядом основных параметров: периодом Т. длительноетью рабочего и обратного ходов, максимальным на­пряжением , коэффициентом нешнейности

где  и — соответственно скорости изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода, коэффициентом ис­пользования ЭДС источника питания  .

Линейно изменяющееся напряжение применяется для перемещения электронного луча по горизонтали в электронно-лучевых трубках ос­циллографов, устройствах задержки импульсов на калиброванное вре­мя и в ряде других устройств.

Любой ГЛИН содержит цепь зарядки и разрядки конденсатора, на котором формируется линейно изменяющееся напряжение На рис.4.13 изображена функциональная схема ГЛИН. Как известно, напряжение на конденсаторе связано с током  соотношением

(4.14)

При линейном изменении напряжения и_с должно соблюдаться равенство

Учитывая (4.14) и (4.15), получим

Рис 4.12Импульсы линейно изменяюще­еся напряжения

4.13Функциональная схема ГЛИН

а) б)

Рис 4 14 Схема с источником напряженияU_вх(а), без источника напряже­ния U_вх (б) и временные диаграммы (в) ГЛИН на ОУ

На рис 4 14,а приведена электрическая схема ГЛИН на ОУ, соот­ветствующая рассмотренной функциональной схеме. В этом устрой­стве операционный усилитель с RС-цепью в звене отрицательной об­ратной связи представляет собой интегратор. На транзисторе VT п-р-п-типа собран электронный ключ. Управление транзисторным клю­чом осуществляется управляющими импульсами при подаче на­пряжения  положительной полярности транзисторный ключ отк­рыт, а при прекращении — закрыт.

При постоянном входном напряжении  выходное напряжение ГЛИН определяется выражением

       (4.18)

где

Часто применяют схему ГЛИН, где напряжение  отсутствуй (см.рис.4.14,5) Тогда на инвертирующем входе ОУ будет действовать напряжение смещения , являющееся параметром ОУ, и формула (4 17) перепишется в виде

                                                                                    (4.18)

Из (4.17) следует, что выходное напряжение линейно изменяется во времени. Из временных диаграмм (рис.4.14,в), иллюстрирующих работу данного ГЛИН, следует, что в период пауз управляющих им­пульсов  выходное напряжение линейно возрастает. Максимальное значение, до которого оно может возрастать, составляет для данного типа ОУ. При появлении управляющего импульса  кон­денсатор С быстро разряжается через малое сопротивление проме­жутка коллектор — эмиттер открытого транзисторного ключа. Вы­ходное напряжение снижается до уровня падения напряжения на от­крытом транзисторе , далее процессы повторяются.

У современных ГЛИН коэффициент использования напряжения обычно не превышает 0,4 — 0,8, а коэффициент нелинейности — сотых долей процента.

В настоящее время промышленность выпускает специализирован­ные генераторы линейно изменяющихся напряжений в интегральном исполнении.

Задача 4.6. На вход ГЛИН (рис.4.14,б), выполненного на ОУ типа 140УД7, поступают управляющие импульсы с частотойf=1кГц. Опре­делить , если R = 1,5 кОм, С= 2 нФ и для ОУ типа 140УД7 напряжение смещения U_CM=4 мВ.

Ответ = 1,33 В.

КОММЕНТАРИИ К ПРАВИЛЬНЫМ ОТВЕТАМ НА ВОПРОСЫ ГЛ 4

4.2.1.Согласно формуле (4.6), для появления незатухающих авто­колебаний в усилителе, охваченном положительной обратной связью, должно выполняться условие баланса амплитуд (наличие положитель­ной обратной связи определяет выполнение условия баланса фаз):

К β ≥ 1 или 110 · 0,01 =1,1.

Следовательно, условие баланса амплитуд выполняется, и в ус­тройстве появятся незатухающие колебания. Если бы это произведе­ние было равно 1, то незатухающие колебания могли бы сорваться

4.2.5.Анализ работы мультивибратора показывает, что замена ОУтипа 140УД7 на ОУтипа 140УД8, приведет к уменьшению амплитуды  на 1,5 В. так как у 140УД7 = 11,5 В, а у 140УД8 = 10 В

Временные параметры мультивибраторов t_и (или f) останутся без вменения Это подтверждается анализом формул (4.10^’), (4.11), (4.12) и (4.13), в которых присутствуют только R и С

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Для получения электрической энергии нужного вида приходится пре­образовывать энергию переменного тока в энергию постоянного с по­мощью выпрямителей, энергию постоянного тока — в энергию перемен­ного тока с помощью инверторов и энергию переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты с помощью преобра­зователей частоты

Выпрямители, инверторы и преобразователи частоты являются источ­никами вторичного электропитания

Источник вторичного электропитания (ИВЭ) представляет собой средство обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы или отдельные цепи комплекса электронной аппаратуры

ИВЭ состоят из функциональных узлов, выполняющих одну или не­сколько функции выпрямление, инвертирование, преобразование, стаби­лизацию регулирование и т д

Современные электронные полупроводниковые устройства в дискрет­ном и особенно в микроэлектронном исполнении предъявляют очень жес­ткие требования к качеству потребляемой электрической энергии, котораядолжна иметь

высокую стабильность питающего напряжения,

требуемую форму (обычно синусоидальную) переменного напряжения

высокую стабильность частоты переменного питающего напряжения,

ИВЭ электронной аппаратуры классифицируют по ряду призна- ков По типу первичного источника питания различают ИВЭ, питаю- щиеся от сети переменного тока и от источника постоянного тока.Всвою очередь, ИВЭ питающиеся от сети переменного тока, подразделяются на однофазные и трехфазные По роду тока на выходе разлИ' чают ИВЭ с постоянным напряжением (выпрямители) и с переменным выходным напряжением (инверторы, преобразователи частоты).По напряжению на выходе ИВЭ подразделяют на ИВЭ низкою (до 100 В), среднего (100 — 1000 В) и высокого (более 1000 В) напряже­ния, а по мощности — на ИВЭ малой (до 100 Вт), средней (100 — 1000 Вт) и большой (более 1000 Вт) мощности.

5.2. ОДНОФАЗНЫЕ И ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазные выпрямители. Структурная схема однофазного вы­прямительного устройства изображена на рис 5.1. На вход выпрями­теля подается переменное напряжениеu₁ которое с помощью тран­сформатораТр изменяется до требуемого значения u₂. Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника вы­прямляемого напряжения и нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные зна­чения напряжений и₂,гальваническине связанных друг с другом. После трансформатора переменное напряжение и₂ вентильной груп­пой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напря­жжение u₀₁. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении u₀₁ помимо постоянной составляю­щей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение u₀₂на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряже­ния Ст поддерживает неизменным напряжение U_H на нагрузочном ус­тройстве R_H при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления R_H.

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать.Например, если напряжение сети соответствует требуемому значению вы­прямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях — стабилизатор постоянного напряжения.

Рис 5.1. Структурная схема однофазного выпрямительного устройства

Рис 5.2. Схема (а), временные диаграммы напряжений и токов (б)однополупериодного выпрямителя.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют два типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный.

Однополупериодный выпрямитель (рис.5.2, а)состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последова­тельно подсоединены диод VDи нагрузочный резистор R_H.

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у трансформатора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки тран­сформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вто­ричной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС.

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью времен­ных диаграмм (рис. 5.2.б). В первый полупериод, т.е. в интервале вре­мени 0 –Т/2, когда потенциал точки а выше потенциала точки b, диод открыт и в нем появляется ток i_a,а в нагрузочном резисторе токi_н, причем i_a=i_н. Падение напряжения на диоде и_а =0. В интервале времени Т/2-Т диод закрыт,ток i_a и ток в нагрузочном резисторе

отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряже­ние и₂, т.е. и_а=и₂ и его максимальное значение U_{обр макс}= .

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя являются:

средние значения выпрямленных тока и напряжения I_{н ср} и U_{н ср};

мощность нагрузочного устройства Р_{н ср} = U_{н ср}I_{н ср};

амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_{осн m};

коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения р=U_{осн m/}U_{н ср}; действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I₁, U₁иI₂ , U₂;

коэффициент полезного действия

где Р_тр — мощность потерь в трансформаторе, а Р_д— мощность потерь в диодах.

В однополупериодном выпрямителе (рис. 5.2)

Или

Ток  является прямым током диода, т.е.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Коэффициент пульсаций р = 1,57. Это значение можно получить из разложения в ряд Фурье выходного напряжения однополупериод­ного выпрямителя:

Принимая во внимание, что коэффициент пульсаций р есть отно­шение амплитуды основной (первой) гармоники,U_OCHm=U _1m=U_Hm/2, Частота которой в данном случае равна со, к выпрямленному напряжению U_{H ср}=U_Hm/  получим

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя яв­ляется его простога Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя большой коэффици­ент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения Следует обратить внимание еще на один недостаток однополупе­риодного выпрямителя Ток имеет постоянную составляющую, кото­рая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что, в свою очередь снижает индуктивность обмоток трансформатора Это при­водит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя

Однополупериодные выпрямители применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электроннолучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию, мощностью не более 10 — 15 Вт.

Диод в выпрямителе является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрями­телей. При выборе типа диодов необходимо знать

среднее значение прямого тока I_прср, которое численно рлвно средне­му значению выпрямленного тока I_{н ср}.

максимальное обратное напряжение на диоде U_{о6р макс}

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполне­ние условий