Загальні відомості.
Релаксаційний генератор - генератор коливань, в яких активний елемент працює в ключовому (релейному) режимі - включений / виключений.
Характерні особливості релаксаційних генераторів:
- Не можуть працювати при відключеному джерелі енергії.
- Є тільки автогенераторами.
- Є нелінійними системами, для опису вимагають застосування нелінійної теорії коливань.
Релаксаційні генератори електричних коливань бувають наступних видів:
- Різні модифікації мультивибраторов.
- Генератор пилкоподібної напруги.
- Генератор трикутного напруги.
Мультивібратори.
Мультивибратор - релаксаційний генератор сигналів електричних прямокутних коливань з короткими фронтами. Мультивібратори можуть бути налаштовані для роботи в одному з трьох режи-мов: автоколебательном, що чекає і режимі синхронного-зації.
Віднесення мультивибратора до класу автогенераторів виправдано лише при автоколивальних режимі його роботи.
У режимі очікування мультивібратор виробляє імпульси тільки тоді, коли на його вхід надходять синхронізуючі сигнали.
Режим синхронізації відрізняється від автоколебательного тим, що в цьому режимі за допомогою зовнішнього керуючого (синхронізуючого) коливання вдається підлаштувати частоту коливань мультивібратора під частоту синхронізуючого напруги або зробити кратної їй (захоплення частоти) для автоколивальних мультивибраторов.
Симетричним мультивибратор називають при попарном рівність опорів резисторів R1 і R4, R2 і R3, ємностей конденсаторів C1 і C2, а також параметрів транзисторів V1 і V2. У автоколивальних режимі мультивібратор воз-спонукає і генерує прямокутні імпульси відразу ж після включення джерела енергії. Процес на виході цього генератора проілюстрований нижче:
Розберемося тепер, які параметри елементів мультивібратора задають вихідні струми і частоту генерації мультивібратора. На що впливають номінали колекторних резисторів? При правильному розрахунку мультивибратора, відхилення значень цих резисторів більш ніж в п'ять разів від розрахункового, не змінить частоти мультивібратора. Головне, щоб їх опір було менше базових резисторів, тому, що колекторні резистори забезпечують швидкий заряд конденсаторів. Але зате, номінали колекторних резисторів є головними для розрахунку споживаної потужності від джерела живлення, значення якої не повинно перевищувати потужність транзисторів. Якщо розібратися, то при правильному підключенні вони навіть на вихідну потужність мультивибратора прямого впливу не роблять. А ось тривалість між перемиканнями (частота мультивібратора) визначається «повільним» перезарядом конденсаторів. Час перезарядження визначається номіналами RC ланцюжків - базових резисторів і конденсаторів (R2C1 і R3C2).
Мультивибратор, хоч і називається симетричним, це відноситься тільки до схемотехнике його побудови, а виробляти він може як симетричні, так і не симетричні по тривалості вихідні імпульси. Тривалість імпульсу (високого рівня) на колекторі VT1 визначається номіналами R3 і C2, а тривалість імпульсу (високого рівня) на колекторі VT2 визначається номіналами R2 і C1.
Повний процес воз-буждения і генерування імпульсів пояснюється наступними графіками і поясненнями, наведеними далі:
У момент включення джерела живлення Eк один з транзисторів (з більш отри-цательного потенціалом на базі), припустимо V1, оказ-ється насиченим, а другий V2 замкненим, так як пів-ва симетрія практично недосяжна. З цього моменту конденсатори також набувають заряди, по-лярность яких показана на малюнку.
Схема може знаходитися в одному з двох нестабільних станів і періодично переходить з одного в інше і назад. Фаза переходу дуже коротка завдяки позитивного зворотного зв'язку між каскадами посилення.
Стан 1: V1 закритий, V2 відкритий і насичений, C1 швидко заряджається базовим струмом V2 через R1 і V2, після чого при повністю зарядженому C1 (полярність заряду вказана на схемі) через R1 не тече струм, напруга на C1 одно (струм бази V2) * R2, а на колекторі V1 - харчування.
Напруга на колекторі V2 невелика (падіння на насиченому транзисторі).
C2, заряджений раніше в попередньому стані 2 (полярність за схемою), починає повільно розряджатися через відкритий V2 і R3. Поки він не розрядився, напруга на базі V1 = (невелика напруга на колекторі V2) - (велике напруження на C2) - тобто негативна напруга, повністю замикає транзистор.
Стан 2: то ж в дзеркальному відображенні (V1 відкритий і насичений, V2 закритий).
Перехід зі стану в стан: в стані 1 C2 розряджається, негативна напруга на ньому зменшується, а напруга на базі V1 - зростає. Через досить тривалий час воно досягне нуля. Розрядившись повністю, С2 починає заряджатися в зворотну сторону, поки напруга на базі V1 не досягне приблизно 0,6 В.
Це призведе до початку відкриття V1, появі колекторного струму через R1 і V1 і падіння напруги на колекторі V1 (падіння на R1). Так як C1 заряджений і швидко розрядитися не може, це призводить до падіння напруги на базі V2 і початку закриття V2.
Закриття V2 призводить до зниження колекторного струму і зростання напруги на колекторі (зменшення падіння на R4). У поєднанні з перезарядженим C2 це ще більше підвищує напругу на базі V1. Ця позитивний зворотний зв'язок призводить до насичення V1 і повного закриття V2.
Такий стан (стан 2) підтримується протягом часу розряду C1 через відкритий V1 і R2.
Таким чином, постійна часу одного плеча є С1 * R2, другого - C2 * R3. Це дає тривалість імпульсів і пауз.
Також ці пари підбираються так, щоб падіння напруги на резисторі в умовах протікання через нього струму бази було б великим, яке можна порівняти з харчуванням.
R1 і R4 підбираються якомога менше, ніж R3 і R2, щоб зарядка конденсаторів через R1 і R4 була швидше, ніж розрядка через R3 і R2. Чим більше буде час зарядки конденсаторів, тим положе виявляться фронти імпульсів. Але відносини R3 / R1 і R2 / R4 не повинні бути більше, ніж коефіцієнти посилення відповідних транзисторів, інакше транзистори ми будуть відкриватися повністю.
Розрахунок частоти мультивібратора:
Генератори лінійно змінюється напруги.
Генератори лінійно змінюється напруги (ГЛИН) представляють собою електронні пристрої, напруга на виході яких протягом деякого часу змінюється за лінійним законом. Часто таке напруга змінюється періодично.
Якщо напруга змінюється від меншого значення до більшого (за абсолютним значенням), то його називають лінійно наростаючим. якщо від більшого значення до меншого, то - лінійно падаючим. Періодично змінюється напруга називають пилкоподібним.
Подібні генератори широко застосовуються в апаратурі зв'язку, телебаченні, радіолокації. Найбільш часто їх використовують для створення тимчасової розгортки променя в електронно-променевих трубках осцилографів, телевізорів і т. П.
Іншою важливою сферою застосування пилкоподібної напруги є перетворення напруги в часовий інтервал в пристроях фазоімпульсной модуляції сигналів, при порівнянні струмів і напруг і при заміні напруги цифровим кодом і т. П.
В практично використовуваних схемах генераторів лінійно змінюється напруги закладений принцип заряду і розряду конденсатора через резистор при подачі на вхід перепаду напруги. Схемні варіанти, які реалізують цей принцип, розрізняються лише методами поліпшення параметрів формованого напруги.
Згідно з принципами побудови генераторів пилкоподібної напруги структурна схема (рис.1) повинна складатися з наступних елементів:
- Токостабілізірующій елемент (ТСЕ), що забезпечує постійний в часі струм заряду конденсатора C.
- Конденсатор С, на якому формується лінійно змінюються напруга.
- Ключове пристрій (КУ), за допомогою якого здійснюється перемикання формування прямого і зворотного ходу вихідної напруги.
- Пристрій для формування імпульсів (ФМ), що забезпечує імпульсні сигнали управління ключовим пристроєм (задає тривалість робочого ходу і частоту проходження вихідних імпульсів пилкоподібної напруги).
- Емітерний повторювач, узгоджувальний великий опір навантаження ОУ з малим опором навантаження генератора.
По режиму роботи ГЛИН підрозділяються на що чекають із зовнішнім запуском, визначальним тривалість паузи або тривалість прямого ходу імпульсу (т. Е. Формувачі імпульсів ЛИН), автоколивальні (в тому числі синхронізовані) і чекають з самозбудженням, що виробляють імпульс ЛИН заданої тривалості у відповідь на імпульс запуску, тривалість якого не визначає тривалість і інші параметри ГЛИН.
Принципи побудови схеми ГЛИН і основні параметри.
Найпростіша схема ГЛИН приведена на рис. 2. лінійно змінюється напруга утворюється при заряді конденсатора С через резистор Rк від джерела Ек. Транзистор VT. працює в ключовому режимі, перемикає конденсатор C з заряду на розряд. Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу простого ГЛИН, наведені на рис. 3.
У початковому стані до моменту t1 транзистор VT закритий пороговим напругою Un. конденсатор З заряджений до напруги Ек. У моментt1 на його вхід надходять імпульси позитивної полярності. При надходженні першого імпульсу транзистор відкривається і конденсатор розряджається через відкритий транзистор VT. Тривалість імпульсів, отпирающих транзистор, встановлюється такий, щоб конденсатор міг розрядитися практично повністю. У момент t2 дію імпульсу закінчується, транзистор закривається і починається заряд конденсатора C в ланцюзі + Ек, Rк, C, -Ек з постійною часу Rк * С. В цьому випадку вихідна ланцюг генератора являє собою подовжує RС -ланцюг, в якій напруга джерела є вхідним. Напруга на виході такого ланцюга змінюється за експоненціальним законом, прагнучи до напруги джерела Ек.
Подається в момент часу t3 другий отпирающий імпульс відкриває транзистор VT і перериває процес наростання напруги на конденсаторі C. Якщо інтервал часу між відчиняю чого імпульсу значно менше постійної часу заряду, то в проміжках між вхідними імпульсами на виході генератора формується лінійно наростаюче напруження.
Лінійно-наростаюче напруження характеризується рядом основних параметрів. Розглянемо їх на прикладі напруги, формованого найпростішим ГЛИН. На наведеному вище рис. 3 пояснюються деякі з параметрів:
Параметром, що характеризує схему ГЛИН, є коефіцієнт використання напруги джерела живлення Ек. під яким розуміють відношення:.
Вихідна напруга ГЛИН описується наступним виразом:
Отже, високий ступінь лінійності пилкоподібної напруги (мале e) можна отримати за умови Eк >> Um. Це призводить до поганого використання напруги джерела живлення. Наприклад, при Um = 10В і е = 1% E = 1000В.