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.

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:

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.

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_EC_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_EłR_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.