Generatory - cz.1.

Generatory - Wstęp

Generatory są to układy elektroniczne wytwarzające sygnały elektryczne o wartości
zmieniającej się w czasie. Generator przetwarza stałoprądową energię źródła zasilającego w
energię zmiennego sygnału wyjściowego. Kształt sygnału wyjściowego generatora jest
zależny od jego budowy. Może to być sygnał okresowy o przebiegu sinusoidalnym lub
niesinusoidalnym: prostokątnym, trójkątnym lub liniowym - piłokształtnym.

W układach analogowych najszersze zastosowanie mają generatory przebiegów
sinusoidalnych. Podstawowymi parametrami opisującymi właściwości tych generatorów są:

·

częstotliwość generowanego sygnału i jej stałość (stabilność częstotliwości);

·

amplituda generowanego sygnału i jej stałość (stabilność amplitudy);

·

zniekształcenia generowanego przebiegu harmonicznego (zawartość harmonicznych w
generowanym sygnale).

Generatory przebiegów prostokątnych, nazywane multiwibratorami, są stosowane w układach
przełączających (impulsowych) i cyfrowych. Istotnymi dla wielu zastosowań parametrami
sygnału prostokątnego są:

·

częstotliwość powtarzania (lub okres) generowanych impulsów i jej stałość (dla
sygnału okresowego);

·

wartość i stałość amplitudy generowanych impulsów;

·

nachylenie zboczy generowanych impulsów określone ich czasem narastania i
opadania;

·

czas trwania impulsów.

Przebiegi trójkątne otrzymuje się na ogół przez odpowiednie kształtowanie (w układzie
całkującym) przebiegów prostokątnych, przebiegi liniowe, piłokształtne są natomiast
wytwarzane w układach o odpowiedniej konstrukcji, w której wykorzystuje się proces
ładowania i rozładowania kondensatora. Generatory takie są nazywane generatorami
relaksacyjnymi.

Określenie "generator" dotyczy więc dużej grupy układów różniących się budową,
przeznaczeniem i parametrami generowanych sygnałów. Pod względem budowy i zasady
działania rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje generatorów:

·

generatory, w których jest wykorzystywane zjawisko niestabilności wzmacniacza
objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego;

·

generatory z elementami aktywnymi charakteryzującymi się ujemną rezystancją
dynamiczną;

·

generatory, w których jest wykorzystywane zjawisko cyklicznego ładowania i
rozładowania kondensatora przez element kluczujący (np. tranzystor jednozłączowy),
po osiągnięciu przez kondensator pewnych progowych wartości napięcia.

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Przedstawiony powyżej schemat jest ogólnym schematem blokowym generatora z pętlą
dodatniego sprzężenia zwrotnego. Układ generatora zawiera wzmacniacz o wzmocnieniu
A

O

, obwód ustalający częstotliwość drgań oraz pętlę sprzężenia zwrotnego, przez którą część

sygnału wyjściowego wzmacniacza jest podawana zwrotnie na jego wejście tak, że
przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym a wyjściowym wzmacniacza jest równe
0° (360°). W takim układzie sprzężenie zwrotne jest dodatnie i wzmocnienie wzmacniacza ze
sprzężeniem zwrotnym, wynoszącym:

dąży do nieskończoności, gdy A

O

=> 1. Wzmacniacz staje się układem niestabilnym i

generuje sygnał sinusoidalny o częstotliwości, dla której są spełnione jednocześnie dwa
warunki, tzn.:

·

warunek fazy, czyli zgodności fazy sygnałów na wejściu i wyjściu wzmacniacza;

·

warunek amplitudy, czyli takiej wartości współczynnika ,
że U

O

= U

O

/A

O

(oznacza to, że wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego A

O

= 1).

Warunek fazy może być spełniony dla określonej częstotliwości, jeżeli wzmacniacz przesuwa
fazę o 0° (360°), a pętla sprzężenia zwrotnego nie wnosi dla tej częstotliwości przesunięcia
fazowego lub wówczas, gdy wzmacniacz przesuwa fazę o 180° (np. jednostopniowy
wzmacniacz w konfiguracji WE), a przesunięcie fazy o dalsze 180° następuje dla określonej
częstotliwości w obwodzie sprzężenia zwrotnego. W celu zapewnienia przy określonej
częstotliwości odpowiedniego przesunięcia fazowego (0° lub 180°), w pętli sprzężeń
zwrotnego stosuje się obwody rezonansowe LC, przesuwniki fazy lub filtry RC oraz
rezonatory kwarcowe.

W generatorach z ujemną rezystancją dynamiczną są wykorzystywane drgania własne
obwodu rezonansowego LC, którego rezystancja strat (rezystancja szeregowa indukcyjności i
rezystancja obciążenia) jest kompensowana rezystancją ujemną elementu aktywnego (np.
diody tunelowej). Schemat zastępczy generatora z ujemną rezystancją przedstawiono na
poniższym rysunku:

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Gdy wartość rezystancji ujemnej R

n

, spełnia warunek R

n

= -L/(RC), wówczas w odtłumionym

(bezstratnym) układzie rezonansowym powstają niegasnące drgania o pulsacji:

Generatory takie są stosowane głównie w zakresie wielkich częstotliwości.

Na rysunku poniżej wyjaśniono działanie generatora, w którym do wytworzenia drgań jest
wykorzystane zjawisko ładowania i rozładowania kondensatora.

Gdy element kluczujący KL jest rozwarty (ma dużą rezystancję), wówczas kondensator C jest
ładowany przez rezystor R prądem ze źródła zasilania U

ZZ

. Napięcie na kondensatorze narasta

wykładniczo ze stałą czasową RC, i gdy osiągnie wartość U

C2

element kluczujący KL zwiera

się (przyjmuje bardzo małą rezystancję). Następuje wówczas raptowne rozładowanie
kondensatora przez element KL. Napięcie na kondensatorze maleje ze stałą czasową zależną
od rezystancji klucza KL (dużo mniejszą od RC) do wartości U

C1

, przy której klucz KL

rozwiera się. Następuje ponowne ładowanie kondensatora i proces ten powtarza się dopóty,
dopóki jest włączone napięcie zasilające U

ZZ

. Taka zasada generowania sygnału zmiennego

jest wykorzystywana w generatorach przebiegów niesinusoidalnych, zwanych generatorami
relaksacyjnymi. Jako elementy kluczujące są stosowane np. tranzystory jednozłączowe,
diody tunelowe, tyrystory, a także tranzystory bipolarne w układach z dodatnim sprzężeniem
zwrotnym.

Generatory relaksacyjne wytwarzają przebiegi niesinusoidalne, np. prostokątne, trójkątne,
piłokształtne, a więc przebiegi okresowe o dużej zawartości harmonicznych częstotliwości
podstawowej. Ich zasada działania jest oparta na zjawisku cyklicznego ładowania i
rozładowania kondensatora, wspomaganym często silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym.
Częstotliwość generowanych sygnałów jest określona stałymi czasowymi ładowania i
rozładowania kondensatora.

Na rysunkach poniżej przedstawiono praktyczny układ generatora, w którym funkcję
elementu kluczującego pełni tranzystor jednozłączowy.

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Ładowany i rozładowywany jest kondensator C

E

. Po włączeniu zasilania kondensator jest

ładowany przez rezystor R

E

. Napięcie na kondensatorze narasta wykładniczo ze stałą czasową

R

E

C

E

. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość U

C2

równą wartości napięcia

przełączania tranzystora (U

p

), wówczas tranzystor wchodzi raptownie w stan przewodzenia i

następuje szybkie rozładowanie kondensatora w obwodzie emiter-baza (E-B), przez małą
rezystancję R

B

. Po rozładowaniu kondensatora do napięcia U

C1

, przy którym złącze E-B,

uzyskuje polaryzację zaporową, tranzystor przechodzi w stan nieprzewodzenia i cykl
ładowania powtarza się. Jeżeli R

E

łR

B

, to czas ładowania kondensatora jest dużo większy od

czasu jego rozładowania. Na emiterze tranzystora uzyskuje się więc piłokształtny przebieg
napięcia o okresie T zależnym głównie od czasu ładowania kondensatora.

Jeżeli przyjmiemy U

C1

w przybliżeniu równe 0 i U

p

= 0,63 U

BB

, to częstotliwość f przebiegu

jest w przybliżeniu określona wzorem:

Ponieważ dla danego tranzystora jednozłączowego stosunek U

p

/U

BB

jest prawie stały (wynosi

zwykle 0,5 do 0,7), zatem przez zmianę napięcia (U

BB

jest zmieniana głównie amplituda

generowanego sygnału.

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m

Click here to buy

A

B

B

Y

Y

PD

F Transfo

rm

er

2

.0

w

w

w .A

B B Y Y.

c o

m