Zespół szkół nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat ćwiczenia:

Badanie generatorów LC.

rok szkolny 2002/2003

Wprowadzenie.

Generatorem jest urządzenie (lub układ) służące do wytwarzania przebiegów zmiennych bez konieczności doprowadzania z zewnątrz jakiegokolwiek sygnału pobudzającego. W istocie generator przetwarza energię prądu stałego na energię prądu zmiennego. Generator, czyli układ elektroniczny samorzutnie wytwarza przebiegi elektryczne na ogół okresowe. Układ taki, w odróżnieniu od wzmacniacza ma tylko jedne wrota wyjściowe i zaciski zasilania, nie ma w nim natomiast zacisków wejściowych.

Każdy generator jest więc przetwornicą energii elektrycznej. Przetwarzanie energii odbywa się zawsze z pewnymi stratami, czyli moc prądu zmiennego jest zawsze mniejsza od mocy pobieranej ze źródła prądu stałego.

Rozpatrując generator jako aktywny układ, można stwierdzić, że jest to układ niestabilny, gdyż samorzutnie wytwarza drgania elektryczne.

Generatory można podzielić na dwie zasadnicze grupy, w zależności od kształtu generowanego przebiegu. I tak rozróżniamy generatory drgań sinusoidalnych (wytwarza przebiegi o kształcie zbliżonym do sinusoidy) i generatory drgań niesinusoidalnych (np. o przebiegu prostokątnym itp.). Te ostatnie określa się nazwą generatorów relaksacyjnych.

Jako autonomiczne źródło napięcia zmiennego generator jest opisany zestawem następujących parametrów:

• częstotliwość przebiegu i zakres jej przestrajania;

• stałość częstotliwości;

• fluktuacje częstotliwości;

• amplituda przebiegu;

• fluktuacje amplitudy;

• zawartość harmonicznych tj. zniekształcenia nieliniowe;

• parametry energetyczne, jak moc i sprawność.

W podanym wykazie występują parametry dotyczące stałości i fluktuacji częstotliwości oraz amplitudy drgań.

Niestałością nazywa się długoterminową zmienność wynikającą ze zmiany warunków otoczenia (temperatura, napięcia zasilające) lub z efektu starzenia się elementów układu.

Fluktuacjami nazywa się krótkotrwałe wahania częstotliwości lub amplitudy, zmieniające się od okresu do okresu, co w efekcie powoduje okresowe zakłócenia, jak tętnienia w napięciach zasilających, wpływ zmiennych pól elektromagnetycznych lub akustycznych itp.

Wielkości niestabilności i fluktuacji są bardzo ważne w realizacji generatorów i mają istotny wpływ na jakość tych układów.

Przez pojęcie stałości częstotliwości rozumie się zmiany względne częstotliwości sygnału wyjściowego w stosunku do częstotliwości znamionowej f_n (wynikającej z wartości L i C), które wyraża formuła:

Zmiany częstotliwości są spowodowane głównie wpływami zmian: napięcia zasilającego (powodują one niestałość wzmocnienia elementu czynnego), temperatury (zmieniają się parametry elementów biernych L i C oraz elementu czynnego), warunków atmosferycznych (ciśnienia i wilgotności), impedancji obciążenia.

Wpływy napięcia zasilania na stałość częstotliwości generatora wyraża się za pomocą tzw.

napięciowego współczynnika częstotliwości w (1/V).

Wpływ temperatury jest natomiast określony za pomocą

współczynnika cieplnego częstotliwości w (1/K).

Stałość amplitudy sygnału wyjściowego jest określona wartością odchyłki amplitudy od wartości znamionowej powstałej pod wpływem czynników zakłócających.

Podstawowymi przyczynami niestałości amplitudy są zmiany napięcia zasilającego oraz impedancji obciążenia. Dla zapewnienia stałości amplitudy sygnału wyjściowego generatora stosuje się, w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, układ automatycznej regulacji amplitudy (ARA).

Zakres przestrajania częstotliwości wynika z wartości maksymalnej i minimalnej częstotliwości sygnału wyjściowego.

Zniekształcenia nielinearne generatora LC są uzależnione od punktu pracy elementu czynnego (tranzystora), a więc od wartości napięcia zasilania oraz od wartości obciążenia. Opisuje się je najczęściej za pomocą

współczynnika zawartości harmonicznych

100%

Gdzie: U₁ - wartość skuteczna harmonicznej podstawowej:

U₂, U₃, U₄ ..... - wartości skuteczne kolejnych harmonicznych
lub
współczynnika zniekształceń całkowitych

100%

Częstotliwość drgań generatora nie ma wartości stałej, gdyż parametry obwodu rezonansowego, tranzystora itp. ulegają z różnych powodów zmianom. Do najważniejszych czynników destabilizujących, wpływających na częstotliwość drgań i jej stałość należą:

1. Wpływy temperaturowe. Pod wpływem zmian temperatury zmieniają się przede wszystkim parametry L i C (rozszerzalność temperaturowa i zmiana wymiarów cewek i kondensatorów, zmiana stałej dielektrycznej, wpływ na zjawisko naskórkowości w cewkach itp.). Od temperatury zależą także parametry i charakterystyki elementów wzmacniających.

2. Zmiany w  czasie charakterystyk i parametrów elementów (starzenie się, rozrzuty produkcyjne itp.). Środkiem zaradczym jest w tym przypadku stosowanie elementów o dużej stałości parametrów.

3. Zmiany napięć zasilających, które wpływają na parametry elementów wzmacniających i ich punkty pracy. W celu wyeliminowania wpływu napięć zasilających stabilizuje się je.

4. Zmiany energii pobieranej z generatora. Wpływ obciążenia generatora zmniejsza się przez zastosowanie stopnia separującego.

5. Wpływy mechaniczne (wstrząsy, odkształcenia itp.), atmosferyczne (wilgotność, ciśnienie itp.) oraz szumy i zakłócenia.

Wrażliwość częstotliwości generatora na czynniki destabilizujące zależy od dobroci Q obwodu rezonansowego. Im dobroć ta jest większa, tym zmiany częstotliwości są mniejsze. Praktycznie wystarczającą dobroć (rzędu kilkudziesięciu i większą) rezonansowe obwody LC mają w zakresie częstotliwości ponadakustycznych.

Typowe układy generacyjne pracują samowzbudnie (astabilnie), czyli nie wymagają starowania sygnałem zewnętrznym. Niekiedy stosuje się układy znajdujące się stale w stanie spoczynku, a więc nie wykonujące drgań: dopiero doprowadzenie sygnału z zewnątrz wyzwala generator, który wykonuje jeden lub parę cykli drgań. Takie układy nazywa się układami monostabilnymi. Natomiast w układach niestabilnych (i dwóch stanach równowagi trwałej) przejście z jednego stanu do drugiego wymaga doprowadzenia impulsów sterujących.

1. Zasada działania generatora.

W generatorach przebiegów sinusoidalnych musi być zastosowany układ określający częstotliwość drgań. W generatorach LC częstotliwość drgań zależy od odwodu rezonansowego o skupionej lub rozłożonej, indukcyjności L i pojemności C.

Drgania układu generacyjnego mogą być wzbudzone w dwojaki sposób: za pomocą elementu o rezystancji ujemnej lub przez wykorzystanie sprzężenia zwrotnego. W pierwszym przypadku element o rezystancji ujemnej Я jest połączony z obwodem rezonansowym LC, równoległym lub szeregowym. Rezystancja musi skompensować straty mocy w układzie. Jeżeli rezystancja jest większa od rezystancji czynnej układu, to amplituda drgań narasta do chwili, w której zostaje ograniczona nieliniowym odcinkiem charakterystyki układu lub przez specjalny układ ograniczający.

Rys. 1. Ilustracja zasady działania generatorów elektronicznych: a) z rezystancją ujemną: b) ze sprzężeniem zwrotnym.

Generator ze sprzężeniem zwrotnym składa się ze wzmacniacza o wzmocnieniu napięciowym
oraz czwórnika sprzężenia zwrotnego o współczynniku przenoszenia (transmitancji)
_. Jeżeli wzmocnienie i współczynnik przenoszenia czwórnika sprzężenia zwrotnego są funkcjami częstotliwości

to warunkami ostatecznymi wzbudzenia układu są:

warunek amplitudy

i warunek fazy

φ + ψ = 0 = 2kπ gdzie: k = 1,2,3.......

Zgodnie z warunkiem amplitudy układ może wytwarzać drgania tylko wtedy, gdy wzmacniacz kompensuje działanie tłumiące czwórnika sprzężenia zwrotnego. Warunek fazy wskazuje, że drgania mogą wystąpić tylko wtedy, gdy suma przesunięć fazowych wnoszonych przez wzmacniacz i czwórnik sprzężenia zwrotnego wynosi zero lub wielokrotność 360^o (2π). Częstotliwość generowanego sygnału zależy głównie od elementów sprzężenia zwrotnego, natomiast amplituda sygnału od wzmocnienia wzmacniacza.

Warunek amplitudy pozwala na wyznaczenie wzmocnienia wzmacniacza potrzebnego do wzbudzenia drgań. Warunek ten jest możliwy do spełnienia, jeżeli reaktancje X₁ i X₂ mają charakter indukcyjny, to X₁₂ musi mieć charakter pojemnościowy i odwrotnie, jeżeli X₁ i X₂ mają charakter pojemnościowy, to X₁₂ musi mieć charakter indukcyjny. Schematy układów spełniających te warunki przedstawiono na rys.2.

Rys. 2.Schemat układu sprzężenia zwrotnego generatorów LC: a) ogólny; b) z indukcyjnością wzajemną (transformatorem); c) z dzieloną indukcyjnością; d) z dzieloną pojemnością.

Generatory wykorzystujące takie obwody sprzęgające nazywa się odpowiednio generatorami Hartley'a, Colpitsa i Meissnera. Do ich budowy wykorzystuje się różne elementy czynne. Przeważnie rolę elementu czynnego spełnia tranzystor bipolarny.

2. Generator Colpittsa

Generator Colpittsa w swojej budowie zawiera pojemnościowy dzielnik napięcia C₁, C₂ określając wartość napięcia sprzężenia zwrotnego dodatniego. Od pojemności zastępczej kondensatorów C₁ i C₂ połączonych szeregowo (C = C₁ || C₂) i indukcyjności L₁₂ zależy częstotliwość drgań. Zastosowany w tym układzie tranzystor pracuje w układzie WB, a więc na znacznie większą częstotliwość graniczną niż generatory pracujące z tranzystorami w układzie WE.

Rys. 3.Schemat generatora Colpittsa
z tranzystorem bipolarnym w układzie
WE.

Wszystkie elementy generatora Colpittsa spełniają taką samą rolę w układzie. Jedyną różnicę stanowi zamiana miejscami elementów L i C. Częstotliwość jak poprzednio wyznaczana jest przez wartości elementów LC według zależności

f = 

Generatory LC są źródłem napięć o częstotliwościach średnich i dużych (od kilkudziesięciu kiloherców do kilkuset megaherców). Generatorów LC o małych częstotliwościach nie buduje się, gdyż dobroć obwodów LC przy małych częstotliwościach jest niewielka, a więc mała jest selektywność oraz duże są wymiary cewek i kondensatorów. Zaletą tych generatorów jest łatwość przestrajania w szerokim zakresie częstotliwości oraz możliwość uzyskania dużej mocy i dobrej sprawności. Niestałość częstotliwości jest rzędu 10^-5 przy starannym wykonaniu, stabilizacji napięć zasilających, termostatyzacji itp.

3. Generator Hartley'a

Generator Hartley'a jest podobny do generatora Miessnera. Różni się jedynie tym, że transformator zastąpiono cewką z dzielonym uzwojeniem (L₁, L₂). Indukcyjność tej cewki L = L₁ = L₂ wraz z kondensatorem C₁₂ dołączonym równolegle określają częstotliwość drgań, W generatorze Hartley'a obwód zasilania jest odseparowany od obwodu sygnału generowanego poprzez dławik L_d. Generator Hartley'a charakteryzuje się najmniejszą stałością częstotliwości.

Rys. 4.Schemat generatora Hartley'a
z tranzystorem bipolarnym w układzie
WE.

Na części cewki oznaczonej jako L₂ odkłada się napięcie wyjściowe generatora U_wy. Na części oznaczonej jako L₁ indukuje się napięcie U_s w fazie przeciwnej do napięcia U_wy. Współczynnik tłumienia układu sprzężenia zwrotnego β jest zależny od stosunku liczby zwojów poszczególnych części cewki.

β =

Rezystory R_B1 i R_B2 polaryzują potencjometrycznie bazę tranzystora. Dławik L_D stanowi obciążenie tranzystora dla napięć zmiennych gdyż stanowi dużą reaktancję. Rezystor R_E stabilizuje punkt pracy tranzystora ponieważ wprowadza ujemne sprzężenie zwrotne dla prądu stałego. Kondensator C_E blokuje emiter do masy, przez co eliminuje ujemne sprzężenie zwrotne dla napięć zmiennych. Kondensatory Cc i C_D separują napięcia bazy i kolektora od połączenia z masą przez uzwojenia cewek. Częstotliwość generowanego przebiegu wyznaczają wartości elementów LC.

f = 

4. Generator Meissnera

Generator Meissnera wykorzystuje sprzężenie zwrotne, które jest zrealizowane za pomocą transformatora, którego uzwojenie wtórne o indukcyjności L₂ wraz z kondensatorem C₂ tworzy obwód rezonansowy. Parametry tego obwodu określają częstotliwość drgań. Część zmiennego napięcia wyjściowego, występującego na kolektorze tranzystora, oddziałuje za pośrednictwem transformatora na bazę tego tranzystora. Ponieważ przy częstotliwości rezonansowej napięcie na kolektorze (drenie) jest przesunięte względem napięcia na bazie o wartość π. Przekładnię transformatora dobiera się tak, aby był spełniony warunek amplitudy.

Rys. 5.
Schemat generatora Meissner
z tranzystorem w układzie WE.

Wzmocnienie wzmacniacza tranzystorowego K_u musi kompensować tłumienie obwodu sprzężenia zwrotnego. Tłumienie obwodu sprzężenia zwrotnego wyraża się wartością przekładni N transformatora.

N =
=
=

Gdzie:

Z₁ - ilość zwojów cewki L₁

Z₂ - ilość zwojów cewki L₂

U_wy - napięcie wyjściowe

U_s - napięcie sprzężenia zwrotnego

Wartość sprzężenia zwrotnego β wynosi

β =

Częstotliwość generowanych drgań wynosi

f = 

Rezystor R_E wprowadza ujemne sprzężenie zwrotne dla prądu stałego i stabilizuje punkt pracy tranzystora. Kondensator C_E eliminuje ujemne sprzężenie zwrotne dla napięcia zmiennego, przez co zapewnia odpowiednie wzmocnienie wzmacniacza. Rezystor R_B polaryzuje bazę tranzystora i zapewnia ustawienie odpowiedniej wartości prądu kolektora. Kondensatora C_B zwiera wszelkie napięcia zmienne występujące na zacisku cewki L₂ w punkcie oznaczonym kropką.

1

10

Badanie generatorów LC.

9

Przygotowanie teoretyczne.

---