04.11.2013 19:47
Общие сведения.
Релаксационный генератор — генератор колебаний, в которых активный элемент работает в ключевом (релейном) режиме — включён/выключен.
Характерные особенности релаксационных генераторов:
- Не могут работать при отключенном источнике энергии.
- Являются только автогенераторами.
- Являются нелинейными системами, для описания требуют применения нелинейной теории колебаний.
Релаксационные генераторы электрических колебаний бывают следующих видов:
- Различные модификации мультивибраторов.
- Генератор пилообразного напряжения.
- Генератор треугольного напряжения.
Мультивибраторы.
Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Мультивибраторы могут быть настроены для работы в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и режиме синхронизации.
Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью.
Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы.
В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают синхронизирующие сигналы.
Режим синхронизации отличается от автоколебательного тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) колебания удаётся подстроить частоту колебаний мультивибратора под частоту синхронизирующего напряжения или сделать кратной ей (захват частоты) для автоколебательных мультивибраторов.
Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений резисторов R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей конденсаторов C1 и C2, а также параметров транзисторов V1 и V2. В автоколебательном режиме мультивибратор возбуждается и генерирует прямоугольные импульсы сразу же после включения источника энергии. Процесс на выходе этого генератора проиллюстрирован ниже:
Разберёмся теперь, какие параметры элементов мультивибратора задают выходные токи и частоту генерации мультивибратора? На что влияют номиналы коллекторных резисторов? При правильном расчёте мультивибратора, отклонение значений этих резисторов более чем в пять раз от расчётного, не изменит частоты мультивибратора. Главное, чтобы их сопротивление было меньше базовых резисторов, потому, что коллекторные резисторы обеспечивают быстрый заряд конденсаторов. Но зато, номиналы коллекторных резисторов являются главными для расчёта потребляемой мощности от источника питания, значение которой не должно превышать мощность транзисторов. Если разобраться, то при правильном подключении они даже на выходную мощность мультивибратора прямого влияния не оказывают. А вот длительность между переключениями (частота мультивибратора) определяется «медленным» перезарядом конденсаторов. Время перезаряда определяется номиналами RC цепочек – базовых резисторов и конденсаторов (R2C1 и R3C2).
Мультивибратор, хоть и называется симметричным, это относится только к схемотехнике его построения, а вырабатывать он может как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы. Длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT1 определяется номиналами R3 и C2, а длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT2 определяется номиналами R2 и C1.
Полный процесс возбуждения и генерирования импульсов поясняется следующими графиками и пояснениями, приведенными далее:
В момент включения источника питания Eк один из транзисторов (с более отрицательным потенциалом на базе), допустим V1, оказывается насыщенным, а второй V2 запертым, так как полная симметрия практически недостижима. С этого момента конденсаторы также приобретают заряды, полярность которых показана на рисунке.
Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.
Состояние 1: V1 закрыт, V2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током V2 через R1 и V2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы V2)* R2, а на коллекторе V1 — питанию.
Напряжение на коллекторе V2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).
C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый V2 и R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе V1 = (небольшое напряжение на коллекторе V2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, полностью запирающее транзистор.
Состояние 2: то же в зеркальном отражении (V1 открыт и насыщен, V2 закрыт).
Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе V1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет ноля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе V1 не достигнет примерно 0,6 В.
Это приведет к началу открытия V1, появлению коллекторного тока через R1 и V1 и падению напряжения на коллекторе V1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе V2 и началу закрытия V2.
Закрытие V2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезаряженным C2 это ещё более повышает напряжение на базе V1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению V1 и полному закрытию V2.
Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени разряда C1 через открытый V1 и R2.
Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.
Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.
R1 и R4 подбираются как можно меньше, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.
Расчет частоты мультивибратора:
где
- f частота в Гц.
- R2 и R3 величины резисторов в Омах.
- C1 и C2 величины конденсаторов в Фарадах.
- T — длительность периода
Генераторы линейно изменяющегося напряжения.
Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) представляют собой электронные устройства, напряжение на выходе которых в течение некоторого времени изменяется по линейному закону. Часто такое напряжение меняется периодически.
Если напряжение изменяется от меньшего значения к большему (по абсолютному значению), то его называют линейно нарастающим, если от большего значения к меньшему, то - линейно падающим. Периодически изменяющееся напряжение называют пилообразным.
Подобные генераторы широко применяются в аппаратуре связи, телевидении, радиолокации. Наиболее часто их используют для создания временной развертки луча в электронно-лучевых трубках осциллографов, телевизоров и т. п.
Другой важной областью применения пилообразного напряжения является преобразование напряжения во временной интервал в устройствах фазоимпульсной модуляции сигналов, при сравнении токов и напряжений и при замене напряжения цифровым кодом и т. п.
В практически используемых схемах генераторов линейно изменяющегося напряжения заложен принцип заряда и разряда конденсатора через резистор при подаче на вход перепада напряжения. Схемные варианты, реализующие этот принцип, различаются лишь методами улучшения параметров формируемого напряжения.
Согласно принципам построения генераторов пилообразного напряжения структурная схема (рис.1) должна состоять из следующих элементов:
- Токостабилизирующий элемент (ТСЭ), обеспечивающий постоянный во времени ток заряда конденсатора C.
- Конденсатор С, на котором формируется линейно изменяющиеся напряжение.
- Ключевое устройство (КУ), с помощью которого осуществляется переключение формирования прямого и обратного хода выходного напряжения.
- Формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий импульсные сигналы управления ключевым устройством (задающий длительность рабочего хода и частоту следования выходных импульсов пилообразного напряжения).
- Эмиттерный повторитель, согласующий большое сопротивление нагрузки ОУ с малым сопротивлением нагрузки генератора.
По режиму работы ГЛИН подразделяются на ждущие с внешним запуском, определяющим длительность паузы или длительность прямого хода импульса (т. е. формирователи импульсов ЛИН), автоколебательные (в том числе синхронизированные) и ждущие с самовозбуждением, вырабатывающие импульс ЛИН заданной длительности в ответ на импульс запуска, длительность которого не определяет длительность и другие параметры ГЛИН.
Принципы построения схемы ГЛИН и основные параметры.
Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 2. Линейно изменяющееся напряжение образуется при заряде конденсатора С через резистор Rк от источника Ек. Транзистор VT, работающий в ключевом режиме, переключает конденсатор C с заряда на разряд. Временные диаграммы, поясняющие работу простого ГЛИН, приведены на рис. 3.
В исходном состоянии до момента t1 транзистор VT закрыт пороговым напряжением Un, конденсатор С заряжен до напряжения Ек. В момент t1 на его вход поступают импульсы положительной полярности. При поступлении первого импульса транзистор открывается и конденсатор разряжается через открытый транзистор VT. Длительность импульсов, отпирающих транзистор, устанавливается такой, чтобы конденсатор мог разрядиться практически полностью. В момент t2 действие импульса заканчивается, транзистор запирается и начинается заряд конденсатора C в цепи +Ек, Rк, C, -Ек с постоянной времени Rк * С. В этом случае выходная цепь генератора представляет собой удлиняющую RС-цепь, в которой напряжение источника является входным. Напряжение на выходе такой цепи меняется по экспоненциальному закону, стремясь к напряжению источника Ек.
Подаваемый в момент времени t3 второй отпирающий импульс открывает транзистор VT и прерывает процесс нарастания напряжения на конденсаторе C. Если интервал времени между отпирающими импульсами значительно меньше постоянной времени заряда, то в промежутках между входными импульсами на выходе генератора формируется линейно нарастающее напряжение.
Линейно-нарастающее напряжение характеризуется рядом основных параметров. Рассмотрим их на примере напряжения, формируемого простейшим ГЛИН. На приведенном выше рис. 3 поясняются некоторые из параметров:
- tпр -длительность прямого хода (время, в течение которого происходит заряд конденсатора С через резистор Rk;
- tо -длительность обратного хода (время восстановления) - время, в течение которого происходит разряд конденсатора С;
- T = tпр + tо -период повторения пилообразных импульсов;
- Um -амплитуда пилообразных импульсов.
Параметром, характеризующим схему ГЛИН, является коэффициент использования напряжения источника питания Ек, под которым понимают отношение: 
.
Выходное напряжение ГЛИН описывается следующим выражением:
Uвых = Uк = Ек (1-e -t/RкC).
Следовательно, высокую степень линейности пилообразного напряжения (малое e) можно получить при условии Eк>>Um. Это приводит к плохому использованию напряжения источника питания. Например, при Um = 10В и е=1% E = 1000В.
УЧЕНЬЕ - СВЕТ, А НЕУЧЕНЬЕ - ЧУТЬ СВЕТ И НА РАБОТУ!
