GENERATORY LC

Wykonawcy:

Michał Lorbiecki
Piotr Witański

Michał Żuk

Spis treści

1. Teoria:

1. Wiadomości ogólne……………………………………………………………… 3

2. Podział generatorów……………………………………………………………... 3

3. Parametry generatorów ………………………………………………………….. 3

4. Warunki wzbudzania drgań oraz impedancja……………………………………. 4

5. Częstotliwość pracy………………………………………………………………. 4

6. Generatory LC……………………………………………………………………. 4

1. Hartley………………………………………………………………………... 5

2. Colpitts……………………………………………………………………….. 6

2. Projekt:

1. Hartley…………………………………………………….……………………… 7

2. Colpitts…………………………………………………….……………………… 8

3. Wpływ napięcia zasilającego na pracę generatorów……………………………... 9

4. Wpływ obciążenia na pracę generatorów ……………………………………..... 10

5. Uwagi końcowe…………………………………………………………………. 11

Wiadomości ogólne

Generatory są to typowo elektroniczne urządzenia, a dokładniej układy, które występują w bardzo dużej ilości sprzętu jaki posiadamy w naszych domach. Układ ten ma następujące działanie: wstrzymuje przebieg elektryczny o określonym kształcie. Każdy z generatorów jest jednocześnie przetwornicą energii elektrycznej. Jeśli chodzi o jego zasilenie, to czerpie on źródło energii ze źródła stałem. Przetwarza on ją z kolei na energię zmienną. Używane są one między innymi do zasilania odbiorników mocy np. nagrzewnic wielkie częstotliwości, przetworników ultradźwiękowych i tym podobne. Mogą one wytwarzać drgania o częstotliwości proporcjonalnej do wartości prądu lub napięcia wyjściowego. Niekiedy wykorzystują one również zjawisko piezoelektryczne. Generatory w rzeczywistości są bardzo małymi układami na płytach drukowanych naszych urządzeń. W ich skład wchodzą przede wszystkim rezystory, diody, kondensatory. Są to bardzo potrzebne układy w elektronice oraz elektrotechnice.

Podział generatorów

Generatorów w elektronice jest naprawdę bardzo dużo. Ponadto możemy je podzielić nie tylko na konkretne modele ze względu na ich budowę, ale również ze względu na parametry i charakter danych generatorów. Pierwszy podział możemy przeprowadzić ze względu na kształt sygnału wyjściowego. Generatorów takich jest kilka. Podstawowe to generatory sinusoidalne, prostokątne, liniowe (trójkąt lub piła) oraz impulsowe. Innym podziałem generatorów jest podział ze względu na częstotliwość generowanego sygnału. Wyróżniamy wtedy następujące generatory: podakustyczne, akustyczne, ponadaktustyczne, wielkiej częstotliwości oraz ostatnie bardzo wielkiej częstotliwości. Nazwy tych generatorów doskonale opisują zakres działania tych generatorów. Kolejnym podziałem generatorów może być podział ze względu na moc sygnału wyjściowego. Pod takim względem możemy wyróżnić następujące generatory: małej mocy, średniej mocy oraz ostatnie generatory dużej mocy. Ostatnim podziałem jest z kolei podział na sposób generowania sygnału. Rozróżniamy dwa typy generatorów: programowalne oraz analogowe.

Parametry generatorów

Istnieje kilka parametrów, które określają własności oraz właściwości konkretnych generatorów. Najważniejszym z nich to sprawność. Sama nazwa definiuje nam już charakter tego parametru, informuje nas on bowiem o tym, jaką wydajność ma nasz generator. Kolejnym parametrem jest moc wyjściowa, która ma istotne znaczenie przy generatorach mocy. Stałość częstotliwościowa, czyli kolejny parametr, jest to bezwzględna zmiana częstotliwości przez wartość znamionową częstotliwości. Ważnym parametrem jest również stałość okresu generatora. Określa on z kolei bezwzględną wartość zmiany okresu przez wartość znamionową okresu. Kolejnym, równie ważnym parametrem naszych generatorów jest zakres przestrajania. Mówi nam on, jaki stosunek częstotliwości maksymalnej do częstotliwości minimalnej ma przez nas opisywany generator. Istnieje ponadto dużo więcej parametrów generatorów, część z nich jest nawet stosowana do tylko kilku typów generatorów. Te przedstawione są jednak najważniejsze oraz kluczowe. Za ich pomocą możemy dowiedzieć się bardzo dużo rodzaju generatora, z jakim mamy do czynienia.

Warunki wzbudzenia drgań oraz impedancja

Generatory posiadają taką zdolność, jak warunki wzbudzenia drgań. Warunków tych wyróżniamy dwa rodzaje. Pierwszy z nich to tak zwany warunek amplitudowy. Chodzi w nim o to, że wzmacniacz kompensuje działanie tłumiące czwórnika sprzężenia zwrotnego. Wiadomo, bowiem, że generatory swoją budowę opierają głównie na wzmacniaczach operacyjnych. Drugim warunkiem, który charakteryzuje generatory jest warunek fazy. Określa on z kolei, że suma przesunięć fazowych w generatorze wynosi zero lub wielokrotność trzystu sześćdziesięciu stopni, czyli jeden π, dwa π, trzy π i tak dalej. Jeśli chodzi o impedancje w generatorach, musimy się jej przyjrzeć w dwóch rodzajach obwodu. Biorąc pod uwagę obwód szeregowy (impedancja i pojemność) jest ona równa zero. Mówimy wtedy, że przyjmuje ona pozycję zwarcia. W drugim wypadku, jeśli werzniemy pod uwagę obwód równoległy impedancja z kolei jest nieskończenie wielka. Możemy to porównać do sytuacji, gdy prąd przez nasz obwód nie płynie, jest tak zwana przerwa. Oba te zagadnienia, które zostały poruszone, czyli warunki wzbudzenia drgań oraz impedancja generatorów są bardzo ważnymi parametrami i informacjami, które ułatwiają nam pracę z tymi układami.

Częstotliwość pracy

Ważnym parametrem, jaki określa generatory jest tak zwana częstotliwość pracy generatorów. Jest ona jednak uzależniona w silny sposób od typu generatora. Jeśli wezniemy pod uwagę generatory typu LC to ich częstotliwość pracy określa rezonans jego elementów, czyli cewek (L) oraz kondensatorów (C). W każdym generatorze, ponieważ jest ich kilka np. Meissner`a, Hartley`a czy Colpitts`a wzór na taki rezonans, a co za tym idzie częstotliwość wygląda inaczej. Przykładowo dla tego pierwszego generatora jest to jedna druga wartości okresu z pierwiastka iloczynu pojemności i indukcji. Częstotliwość pracy generatorów w generatorach typu RC zależy od stałej czasowej rozładowania kondensatora (C) przez rezystor (R). To zastosowanie jest jednak spotykane sporadycznie, większą popularnością cieszą się generatory typu LC. Z kolei generatory RC wykorzystywane są do generacji bardzo niskich, niskich i średnich częstotliwości. W praktyce są to rzędy od dziesięciu Hz do nawet stu kilko Hz. Dla każdego typu generatora konkretny wzór na częstotliwość pracy można odnaleźć w różnego rodzaju katalogach czy nawet w Internecie.

Generatory LC

Szczególnym uznaniem wśród projektantów oraz elektroników cieszą się generatory typu LC. W ich skład wchodzi rzecz jasna pojemność, czyli kondensator oraz indukcja elektryczna, czyli transformatory lub cewki. Wyróżniamy trzy podstawowe generatory LC, których nazwa pochodzi od nazwisk ich twórców. Pierwszy generator LC to generator Meissner`a. Jego zasada działania polega na tym, że transformator realizuje sprzężenie zwrotne, a uzwojenie wtórne i kondensator tworzy obwód rezonansowy. Prąd płynie natomiast przez obwód główny, a między uzwojeniem wtórnym, a pierwotnym wyindukuje się siła elektromotoryczna SEM. Powoduje to z kolei wzrost prądu w całym naszym obwodzie. Kolejnym, bardzo popularnym generatorem typu LC jest generator Hartley`a. Jest on bardzo podobny do tego wcześniej opisywanego, ale transformator zastąpiono tutaj cewką z dzielnym uzwojeniem. Indukcyjność tej cewki wraz z pojemnością kondensatora określa częstotliwość drgań. Ostatnim generatorem, jaki omówimy jest generator Colpitts`a. Pojemnościowy dzielnik napięcia określa wartość napięcia sprzężenia zwrotnego od niego oraz od indukcyjności cewki.

Generator Hartley'a

Generator Hartley'a zbudowany jest z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE (wspólnego emitera) z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L, C₁, w którym indukcyjność jest podzielona na dwie części L₁ i L₂ (stąd nazwa - generator z dzieloną indukcyjnością).

Generator Hartley'a - układ z zasilaniem równoległym

W powyższym układzie, dla częstotliwości rezonansowej:

Obwód w węźle A przesuwa fazę napięcia wyjściowego wzmacniacza o 180^o. Przesunięcie w samym wzmacniaczu wynosi również 180^o, więc spełniony jest warunek fazy.
Warunek amplitudy zależy od stosunku indukcyjności obwodu rezonansowego L₁/L₂.

Generator Colpitts`a 

 

Generator Colpitts`a zbudowany jest z jednostopniowego wzmacniacza pracującego w konfiguracji WE (wspólnego emitera) z pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającą obwód rezonansowy L,C₁,C₂, w którym pojemność jest podzielona na dwie części C₁ i C₂ (stąd nazwa - generator z dzieloną pojemnością). Punkt B rozdzielający kondensatory połączony jest do masy.

Generator Colpittsa - układ z zasilaniem równoległym (konfiguracja WE)

W powyższym układzie, dla częstotliwości rezonansowej:

Sygnał sprzężenia zwrotnego z kondensatora C₁, (węzeł A) jest przesunięty w fazie o 180^o względem sygnału wyjściowego wzmacniacza i doprowadzany do bazy. Po wzmocnieniu służy on do podtrzymywania drgań w układzie. Przesunięcie w samym wzmacniaczu wynosi również 180^o, więc spełniony jest warunek fazy. Warunek amplitudy zależy od stosunku pojemności obwodu rezonansowego C₁/C₂. Dodatkowe funkcje pełnią:

 Kondensator C₃ o dużej pojemności blokuje przepływ składowej stałej prądu kolektora przez obwód rezonansowy (stąd przedstawiony wariant układu Colpittsa jest z zasilaniem równoległym - w konfiguracji WE),

 Rezystory R₁,R₂ i R_E są elementami obwodu polaryzacji stałoprądowej tranzystora, ustalającymi jego spoczynkowy punkt pracy;

Dławik wysokiej częstotliwości przepuszcza składową stałą prądu, lecz blokuje przedostawanie się sygnału zmiennego z wyjścia generatora do obwodu zasilania (zwieranie sygnału przez obwód zasilania).

Schemat układu Hartley`a wraz z wartościami elementów

Schemat

Schemat montażowy

Obwód drukowany (lustrzane odbicie)

Schemat układu Colpitts`a wraz z wartościami elementów

Schemat

Schemat montażowy

Obwód drukowany (lustrzane odbicie)

Wpływ napięcia zasilającego na pracę generatorów

Hartley				Colpitts
UCC	USK	f	stab.	UCC	USK	f	stab.
[V]	[V]	[kHz]	[%]	[V]	[V]	[kHz]	[%]
15	5,17	34,36	0	15	4,96	34,25	0
14	4,88	34,36	0	14	4,58	34,25	0
13	4,61	34,48	0,35	13	4,15	34,36	0,32
12	4,34	34,60	0,70	12	3,81	34,36	0,32
11	4,06	34,72	1,05	11	3,47	34,48	0,67
10	3,78	34,72	1,05	10	3,12	34,6	1,02
9	3,49	34,72	1,05	9	2,79	34,72	1,37
8	3,20	34,84	1,40	8	2,46	34,72	1,37
7	2,90	34,97	1,78	7	2,14	34,72	1,37
6	2,56	35,09	2,12	6	1,84	32,72	4,47
5	2,19	35,09	2,12	5	1,55	34,72	1,37
4	1,81	35,09	2,12	4	1,28	34,97	2,10
3	1,41	35,34	2,85	3	1,02	34,97	2,10
2	0,98	35,34	2,85	2	0,75	34,72	1,37
1	0	0	-	1	0,47	34,97	2,10

Wpływ obciążenia na pracę generatorów

Hartley				Colpitts
UCC = 15V				UCC = 15V
RO	USK	f	stab.	RO	USK	f	stab.
[kΩ]	[V]	[kHz]	[%]	[kΩ]	[V]	[kHz]	[%]
1000	4,33	33,67	0,00	1000	5,25	34,13	0,00
900	4,35	33,67	0,00	900	5,05	34,13	0,00
800	4,35	33,67	0,00	800	5,03	34,13	0,00
700	4,32	33,78	0,33	700	5,02	34,01	0,35
600	4,29	33,78	0,33	600	5,02	34,01	0,35
500	4,22	33,78	0,33	500	5	34,01	0,35
400	4,11	33,78	0,33	400	4,98	34,01	0,35
300	3,91	33,78	0,33	300	4,93	34,13	0,00
200	3,51	34,01	1,01	200	4,91	34,25	0,35
100	1,09	34,48	2,41	100	4,28	34,48	1,03

Uwagi końcowe:

• Układ działa z obciążeniem powyżej 100kΩ. Poniżej tej wartości układ nie generuje drgań.

• Płytka drukowana generatora Colpitts`a została poddana minimalnym zmianą tj. została poszerzona by na płytkę zmieściła się cewka L. Reszta elementów oraz wymiarów pozostała bez zmian.

• W razie wymiany tranzystora T (BF214), należy skrzyżować końcówki 1(B) oraz 2(E). Należy również zaizolować jedną z nich, by nie dopuścić do ewentualnego zwarcia. Wynika to z tego, że podczas projektowania układu użyliśmy tranzystora z inna obudową, a co za tym idzie innym układem wyprowadzeń.

• W generatorze Hartley`a należy uważać by cewki obwodu rezonansowego (L1 oraz L2) nie były zbyt blisko siebie, ponieważ gdy tak się stanie układ przestanie generować drgania. Cewkę L1, można dobrać w granicach od 3mH - 6mH, a kondensator C od 1nF - 10nF. Obecnie kondensator C ma wartość 4,7nF.

11

---