GENERATORY ELEKTRONICZNE

Generatory - samowzbudne przetworniki energii elektrycznej prądu stałego (lub o pewnej częstotliwości) na energię prądu zmiennego o określonych parametrach.

Klasyfikacja:

1. Ze względu na sposób generacji:

1. z ujemną rezystancją

2. z dodatnim sprzężeniem zwrotnym

2. Ze względu na kształt generowanych sygnałów:

1. generatory przebiegów sinusoidalnych (harmonicznych)

2. generatory przebiegów niesinusoidalnych

3. Ze względu na poziom generowanej mocy:

1. małej mocy (pomiarowe)

2. dużej mocy (przemysłowe).

Generatory napięć sinusoidalnych

Analiza wzmocnienia (transmitancji napięciowej) układu zawierającego pętlę SZ:

pokazuje, że układ staje się niestabilny (tzn. wytwarza sygnał na wyjściu bez doprowadzenia jakiegokolwiek sygnału sterującego) wtedy gdy: 1- k⋅β → 0, czyli gdy k⋅β →1.

Warunek k⋅β →1 jako iloczyn liczb zespolonych może być spełniony tylko wtedy gdy:

A.
czyli jest spełniony warunek amplitudy.

Warunek amplitudy pozwala obliczyć najmniejsze wzmocnienie wzmacniacza przy którym układ z czwórnikiem SZ może stać się generatorem:

w praktyce
np.

Często warunek amplitudy wykorzystywany jest do graficznego wyznaczania amplitudy napięcia na wyjściu generatora:

B. Całkowite przesunięcie fazowe w pętli SZ również musi spełanić tzw. warunek fazy:

arg(k⋅β) =ϕ_k + ϕ_β = 0±2πn , gdzie n=0, 1, 2, ... ⇒

Przesunięcie ϕ_k fazowe wzmacniacza podstawowego w zakresie częstotliwości środkowych przyjmuje w praktyce dwie wartości:

1. ϕ_k = 0 ⇒ gdy wzmacniacz nie zmienia na wyjściu fazy napięcia wejściowego

2. ϕ_k = π ⇒ gdy wzmacniacz odwraca na wyjściu fazę napięcia wejściowego

W tych dwóch przypadkach dla zrealizowania dodatniego sprzężenia zwrotnego należy zastosować układy sprzęgające, które zapewnią, że arg(k⋅β) będzie miał odpowiednią wartość:

Najprostsze przesuwniki fazy:

Górnoprzepustowy Dolnoprzepustowy

Przesunięcie fazy 180º można uzyskać w układzie zawierającym co najmniej trzy elementarne przesuwniki RC połączone kaskadowo:

Można wykazać, że trójsekcyjny układ drabinkowy RC, zawierający jednakowe rezystory R i kondensatory C, przy częstotliwości
ma transmitancję:

W celu zbudowania generatora przebiegu sinusoidalnego czwórnik ten należy włączyć w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza odwracającego:

Z warunku amplitudy ⇒

Przestrajanie generatora wykonuje się poprzez jednoczesną zmianę rezystancji wszystkich rezystorów lub jednoczesną zmianę pojemności wszystkich kondensatorów (co zapewnia stałą wartość impedancji wej/wyj ⇒ stałość współczynnika sprzężenia zwrotnego w trakcie przestrajania).

Dolnoprzepustowy czwórnik drabinkowy RC tłumi wyższe harmoniczne, co zapewnia małe zniekształcenia generowanego sygnału.

Jeżeli korzystamy ze wzmacniacza nieodwracającego to w pętli SZ stosuje się układ selektywny o przesunięciu fazowym równym zeru przy generowanej częstotliwości:

Oprócz czwórników sprzęgających RC w generatorach stosowane są czwórniki LC (obwody rezonansowe), LM (transformatory) i RLCM (obwody rezonansowe + transformatory + straty).

Transformator odwracający:

Uwaga! W transformatorze warunek fazy może być spełniony w szerokim zakresie częstotliwości ⇒ niesprecyzowana częstotliwość generowanego przebiegu.

Dlatego, do pętli SZ wprowadza się elementy zapewniające jej selektywność.

Czwórnik SZ w postaci obwodu rezonansowego i transformatora wykorzystywany jest w generatorze Meissnera:

Czwórniki sprzężenia zwrotnego typu LC

Generator Colpittsa Generator Hartley'a

Głównym wymaganiem w układzie generatora stawianym czwórnikowi sprzęgającemu jest zapewnienie dodatniego SZ dla jednej, ściśle określonej częstotliwości.

Jeżeli wymagana jest duża stałość częstotliwości generatora i małe zniekształcenia wówczas w pętli SZ zamiast obwodów rezonansowych LC stosuje się rezonatory kwarcowe.

Rezonatorowi kwarcowemu (piezoelektrycznemu) można przypisać schemat zastępczy w formie elektrycznego obwodu rezonansowego:

gdzie ω_s - częstotliwość rezonansu szeregowego

ω_p - częstotliwość rezonansu równoległego

Ponieważ C₀ >> C ⇒ ω_s ≅ω_p przy czym każda z tych pulsacji jest ściśle określona i stała dla danego rezonatora.

Rezonator kwarcowy może zatem w układach generacyjnych (jak również w układach filtrów elektrycznych) pełnić funkcję elementu sprzęgającego o bardzo dużej selektywności i stałości parametrów.

Jednym z możliwych rozwiązań jest układ z mostkiem Wiena:

Elementy układu dobiera się tak, aby:

GENERATORY SYGNAŁÓW NIESINUSOIDALNYCH

Generatory przebiegów prostokątnych

Przerzutniki bistabilne

Ten pierwszy stan stabilny utrzymuje się do czasu doprowadzenia z zewnątrz impulsu przełączającego (wyzwalającego), który spowoduje chwilowy wzrost potencjału kolektora T₂ (lub bazy T₁).

2. T₁ zaczyna przewodzić prąd, który samorzutnie narasta (wskutek dodatniego SZ istniejącego w tym układzie) aż do nasycenia T₁ i zatkania T₂.

Ten drugi stan stabilny utrzymuje się do chwili doprowadzenia kolejnego impulsu wyzwalającego.

Uwaga!

Impuls wyzwalający potrzebny do zapoczątkowania akcji przerzutu z jednego stanu do drugiego może być krótki i mieć małą amplitudę, gdy tranzystor przewodzący jest „lekko nasycony”. W przeciwnym razie impuls wyzwalający musi mieć dostatecznie dużą energię aby wyprowadzić tranzystor z nasycenia.

W celu skrócenia czasu przełączania, równolegle z rezystorami R_B1, R_B2 włącza się pojemności przyspieszające. Wartości pojemności przyspieszających można obliczyć (metodą kompensacji pojemności wejściowych) bądź wyznaczyć doświadczalnie np. z użyciem oscyloskopu.

Przerzutniki bistabilne obecnie buduje się w postaci scalonej i są stosowane np. w układach dzielników cyfrowych.

Przerzutniki monostabilne

Po upływie czasu
związanym z naładowaniem przez R_B2 pojemności C₂, T₂ ponownie zostanie włączony a T₁ zatkany. Układ pozostaje w tym stanie do chwili pojawienia się następnego impulsu wyzwalającego.

Przerzutniki astabilne

Czas wyłączenia tranzystorów T₁ i T₂ wynosi:

PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz

__________________________________________

POLITECHNIKA LUBELSKA III - 259

Transmitancja tego przesuwnika:

gdzie

Z warunku amplitudy ⇒

M - indukcyjność wzajemna cewek L₁ i L₂ (współczynnik sprzężenia magnetycznego)

Częstotliwość drgań:

Dla spełnienia warunku amplitudy:

Straty w obwodzie zastępczym kwarcu reprezentowane są przez rezystancję R i są bardzo małe ⇒

przy czym

Rezonator kwarcowy może być również stosowany do stabilizacji częstotliwości generatorów LC (Colpittsa, Hartley'a, Pierce'a itp.)

Układ może znajdować się w jednym z dwóch stanów stabilnych:

1. T₁ nie przewodzi prądu (jest zatkany), wtedy prąd bazy T₂ jest równy
i jeżeli suma rezystancji w mianowniku jest niezbyt duża to prąd ten wystarcza do nasycenia T₂.

Napięcie nasycenia na kolektorze T₂ (0,1V dla Si, 0,3V dla Ge) przeniesione na bazę T₁ nie wystarcza do włączenia tranzystora T₁ ⇒ pozostaje on w stanie zatkania jak na początku.

Połączenie kolektora T₁ z bazą T₂ za pomocą pojemności oznacza, że pętla SZ jest zamknięta tylko dla składowej zmiennej ⇒ w stanie ustalonym T₁ jest wyłączony zaś T₂ nasycony (jeżeli R_B2 ma dostatecznie małą rezystancję).

T₂ można wyprowadzić z nasycenia obniżając potencjał jego bazy za pomocą ujemnego impulsu wyzwalającego ⇒ wtedy T₁ znajdzie się w stanie nasycenia a T₂ w stanie zatkania.

Ponieważ kolektory obu tranzystorów połączone są z bazami za pomocą pojemności ⇒ układ nie ma wyróżnionego stanu stabilnego.

Pętla SZ jest zamknięta tylko dla sygnałów zmiennych, a warunek fazy (dodatnie SZ) spełniony jest w pewnym paśmie częstotliwości.

Tranzystory T₁, T₂ są kolejno nasycane i zatykane.

„Częstotliwość” wytwarzanego przebiegu wynosi:

---