Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie.

Temat: Badanie generatorów RC

Koszalin rok szk. 2002/2003

Wstęp.

Generator elektroniczny jest źródłem napięcia przemiennego, które powstaje na drodze przetwarzania energii prądu stałego. Układ generatora zawiera zwykle element aktywny oraz obwód elektryczny RLC określający parametry sygnału. Ze względu na element aktywny wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje układów: układy wykorzystujące zjawisko ujemnej impedancji oraz układy pracujące na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Układy wykorzystujące zjawisko ujemnej impedancji są w praktyce mało stosowane ze względu na stabilność pracy tych układów oraz praktyczne trudności ich realizacji.

Generatory ze sprzężeniem zwrotnym mają szerokie zastosowanie. Układ tego typu składa się ze wzmacniacza i obwodu sprzężenia zwrotnego. Aby w obwodzie wystąpiły drgania elektryczne, muszą być spełnione dwa warunki:

• warunek amplitudy, który mówi że straty energii poniesione w układzie sprzężenia zwrotnego muszą być skompensowane przez wzmacniacz. Musi być spełniona zależność:

K_u β = 1

• Warunek fazy, który mówi, że przesunięcie fazowe wzmacniacza i układu sprzężenia zwrotnego musi być równe całkowitej wielokrotności 360⁰. Musi być spełniona zależność:

φ_Ku + φ_β = 2πn

Rys. 1. Schemat blokowy generatora.

Warunek amplitudy jest spełniony zwykle przez odpowiednie dobranie wartości wzmocnienia wzmacniacza. Warunek fazy wymaga dobrania odpowiednich elementów obwodu sprzężenia zwrotnego.

W układach generacyjnych często stosuje się wzmacniacze operacyjne. Wykazują one wiele zalet takich jak: bardzo duże wzmocnienie napięciowe, szerokie pasmo przenoszenia, duża impedancja wejściowa, duży zakres amplitud napięcia wyjściowego, bardzo mały wpływ zmian temperatury na jego parametry.

1. Generatory RC.

Generatory RC znajdują zastosowanie w zakresie małych częstotliwości (od ułamka Hz do setek kHz). Cechuje je duża stałość częstotliwości, mała zawartość harmonicznych oraz prostota konstrukcji. Istotną zaletą generatorów RC jest możliwość ich przestrajania w szerokim zakresie częstotliwości, ponieważ częstotliwość drgań zależy od iloczynu RC, podczas gdy w generatorach LC częstotliwość drgań jest proporcjonalna do pierwiastka z iloczynu LC.

Aby spełnić warunek amplitudy, należy zapewnić odpowiednie wzmocnienie wzmacniacza poprzez dobranie elementów obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Warunek fazy zapewnia odpowiedni dobór elementów RC. Jeżeli wzmacniacz nie odwraca fazy tzn. φ = 0⁰ to przesunięcie fazowe układu sprzężenia zwrotnego również powinno wynosić φ = 0⁰. Można to zrealizować za pomocą układów pokazanych na rys. 2.

Rys. 2. Układy RC o przesunięciu fazowym φ=0⁰.

Układy te wprowadzają przesunięcie fazowe równe 0 oraz tłumienność sygnału  β = 1/3 dla pulsacji rezonansowej

ω₀ =

W praktyce najczęściej stosowany jest układ pokazany na rys. 2 a), będący częścią układu mostka Wiena. Posiada on dwie gałęzie zawierające elementy RC oraz dwie gałęzie zawierające rezystory. W stanie równowagi mostka Wiena napięcie na jego wyjściu wynosi zero. Stan równowagi występuje dla pulsacji rezonansowej ω_0, oraz

Jeżeli R₁ = R₂ i C₁ = C₂, co najczęściej występuje w praktyce, stosunek R₃/R₄ = 2, natomiast ω₀ = 1/RC. Zasadniczy układ generatora z mostkiem Wiena przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Układ generatora z mostkiem Wiena: a) mostek Wiena; b) generator.

Gałąź selektywna RC mostka Wiena włączona jest do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego i tworzy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego. W stanie równowagi mostka napięcie z jego wyjścia podawane jest na wejście różnicowe wzmacniacza. Wartość tego napięcia wynosi teoretycznie powinno być nieskończenie duże. W praktyce mostek nie jest idealnie zrównoważony , gdyż stosunek R₃/R₄ jest różny od 2, a wynosi praktycznie 3. Spełnienie warunku amplitudy w praktyce wymaga określonej wartości wzmocnienia wzmacniacza. Gałąź R₃, R₄ mostka nie ma wpływu na częstotliwość drgań układu, dzięki czemu w miejsce tych rezystorów można wprowadzić elementy nieliniowe w celu stabilizacji amplitudy sygnału wyjściowego. Daje to możliwość automatycznej regulacji wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego w zależności od zmian wzmocnienia wzmacniacza, czy też zmian innych parametrów układu.

W celu stabilizacji amplitudy napięcia wyjściowego w gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego w miejsce rezystora R₃ lub R₄ stosuje się element nieliniowy o zmiennej rezystancji zależnej od wartości wydzielanej na nim mocy, np. termistor, żarówkę lub element półprzewodnikowy. W miejscu rezystora R₄ powinien być zastosowany element, którego rezystancja rośnie ze wzrostem mocy sygnału (np. żarówka), natomiast w miejscu rezystora R₃ - element, którego rezystancja maleje ze wzrostem mocy sygnału (np. termistor). Zmianę częstotliwości generatora z mostkiem Wiena realizuje się poprzez regulację pojemności (lub rezystancji) oby gałęzi jednocześnie. Zmiana częstotliwości poprzez regulacje pojemności jest kłopotliwa, gdyż pojemności kondensatorów zmiennych są niewielkie. Znacznie większe zmiany częstotliwości można uzyskać poprzez zmianę rezystancji, co praktycznie jest realizowane za pomocą potencjometrów. Jednak w tym przypadku dokładność nastawienia częstotliwości jest mniejsza.

Rys. 4. Generator z mostkiem Wiena z układem stabilizacji amplitudy sygnału wyjściowego z zastosowaniem żarówki.

Na rys. 4 przedstawiono układ stabilizacji amplitudy sygnału wyjściowego z żarówką zamiast rezystora R₄. Żarówka zawiera włókno wolframowe, którego rezystancja wzrasta ze wzrostem temperatury. Temperatura z kolei jest proporcjonalna do wydzielającej się na nim mocy.

Działanie tego układu jest następujące. Jeżeli na wyjściu wzmacniacza wzrośnie amplituda sygnału, wzrośnie wartość prądu płynącego przez dzielnik napięcia R₃ i żarówka. Wzrost prądu spowoduje zwiększenie się temperatury włókna żarówki i zwiększenie jego rezystancji. To z kolei spowoduje wzrost napięcia sprzężenia zwrotnego podawanego na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego i zmniejszenie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza.

2

Badanie generatorów RC.

3

Badanie generatorów RC.

2

Badanie generatorów RC.

---