МТ.18 (08.05.2020)
Преподаватель Жерневская И.Е.
ОП.12 Общая электротехника с основами электроники
Тема: Электронные генераторы и измерительные приборы
Цель занятия: Изучить принцип работы колебательного контура; работу, виды и применение электронных генераторов
Задание:
1. Краткий опорный конспект лекционного материала оформить в рабочей тетради.
2. Изучить:
Данилов И. А., Иванов Г. М., Общая электротехника с основами электроники. Стр. 560-575
3. Посмотреть презентацию «Электронные усилители»
4. Дать ответы на контрольные вопросы.
Ответы на контрольные вопросы (с указанием даты и темы) оформить в рабочей тетради, сфотографировать на телефон и выслать на дистанционную почту (адреса для обратной связи указаны ниже).
5. Подготовить реферат «Усилители электрических сигналов»
Реферат выслать на дистанционную почту (адреса для обратной связи указаны ниже).
Срок выполнения задания — до 15.05.2020!
Обратная связь:
1. zhernevskaja.inna@mail.ru
2. https://vk.com/zhernevskaya
3. https://ok.ru/profile/519483261262
4. Viber (+380713844123)
5. WhatsApp (+380713844123)
6. dist-obuchenie@mail.ru
Рекомендуемая литература:
1. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники — М.: Мастерство, 2001
2. В. Е. Китаев Электротехника с основами промышленной электроники. Учебное пособие для проф.-тех. училищ. — М.: Высш. школа, 1980. - 254 с.
Лекция
Тема: Электронные усилители
План
Колебательный контур
Структурная схема электронного генератора
3. Генераторы синусоидальных колебаний:
3.1 Генераторы LC-типа
3.2 Генераторы RC-типа
Колебательный контур
Электромагнитные колебания – периодические изменения электромагнитных величин (электрического заряда, силы тока и напряжения)
Простейшая система, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания, – колебательный контур. Он состоит из конденсатора и катушки, которая присоединена к его обкладкам.
Колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки, присоединённой к его обкладкам.
В такой колебательной системе возникают свободные электромагнитные колебания – колебания силы тока, заряда и напряжения.
Чтобы в контуре начались колебания, ему нужно сообщить энергию, т.е. зарядить конденсатор.
Посмотрите на схему, на которой показано, как можно зарядить конденсатор.
Когда ключ переводится в положение 1, то конденсатор заряжается от источника тока; если же в положение 2 – конденсатор начинает разряжаться и в контуре возникают колебания силы тока, заряда и напряжения.
Если R = 0, то в колебательном контуре возникают незатухающие колебания заряда, силы тока и напряжения, причём у тока меняется не только значение, но и направление.
В колебательном контуре происходит превращение энергии (электрической в магнитную и обратно). При отсутствии сопротивления полная энергия электромагнитного поля остаётся постоянной и равна сумме энергий электрического и магнитного полей.
Период колебаний зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора. Частота колебаний – величина, обратная периоду
Принцип действия и структурная схема электронного генератора
Электронный генератор - электронное устройство, вырабатывающее электрические колебания определенной частоты и формы, используя энергию источника постоянного напряжения (тока).
Свойства электронных генераторов различны и зависят от их назначения.
Большинство электронных генераторов работает за счет обратной связи.
Принцип действия электрического генератора основан на взаимодействии проводника и магнитного поля, в котором он движется. Как всегда приводится классический пример с рамкой в магнитном поле. Когда рамка вращается, её пересекают линии магнитной индукции, при этом в рамке образовывается электродвижущая сила. Эта ЭДС заставляет ток течь по рамке и с помощью контактных колец попадать во внешнюю цепь. Примерно так устроен простейший электрический генератор.
Рисунок 1 — Структурная схема генератора
Схемы электронных генераторов (рисунок 1) строятся по тем же схемам, что и усилители, только у генераторов нет источника входного сигнала, его заменяет сигнал положительной обратной связи (ПОС). Обратная связь - это передача части выходного сигнала во входную цепь. Необходимая форма сигнала обеспечивается структурой цепи обратной связи. Для задания частоты колебаний цепи ОС строятся на LC или RC-цепях (частоту определяет время перезаряда конденсатора).
Сигнал, сформированный в цепи ПОС, поступает на вход усилителя, усиливается в К раз и поступает на выход. При этом часть сигнала с выхода возвращается на вход через цепь ПОС, где ослабляется в К раз, что позволят поддерживать постоянную амплитуду выходного сигнала генератора.
Генераторы с независимым внешним возбуждением (избирательные усилители) являются усилителями мощности с соответствующим частным диапазоном, на вход которых подаётся электрический сигнал от автогенератора. Т.е. происходит усиление только определенной полосы частот.
Электронные генераторы используют колебания свободных электронов или ионов, находящихся между электродами лампы. Частота колебаний этих генераторов зависит от времени пролета электронов или ионов между определенными точками в лампе, которое в свою очередь зависит от величины приложенного напряжения и напряженности магнитного поля. Колебательная система в таком генераторе обеспечивает синфазность колебаний всех электронов.
Электронные генераторы применяют для получения переменных токов высокой и повышенной частоты. Для высоких напряжений применяют преимущественно ламповые генераторы, а для низких напряжений - ламповые и транзисторные генераторы. Электронные генераторы являются устройствами, преобразующими постоянный ток в переменный ток определенной частоты.
Электронные генераторы имеют неоспоримые преимущества перед машинными преобразователями вследствие сравнительной простоты устройства, исключительно широкого диапазона частот колебаний от нескольких периодов в секунду до многих миллионов герц. Они являются основным оборудованием радиотехнических устройств и широко используются также в промышленных установках для нагрева металлических изделий и неметаллических материалов токами высокой частоты.
Рисунок 2- График колебательного процесса в электронном генераторе.| График незатухающих колебаний.
Электронные генераторы подразделяются на пять разновидностей: генераторы основных колебаний с возбудителями на контурах LC; генераторы основных колебаний с возбудителями на контурах RC; гетеродинные генераторы с ручным управлением; гетеродинные генераторы с качающейся частотой; генераторы с дискретной сеткой (растром) сигналов образцовых частот.
Генераторы LC-типа
В LC-генераторах в качестве частотно-избирательных (частотно-задающих) элементов используются катушки индуктивности и конденсаторы. Обычно на основе катушек индуктивности и конденсаторов формируются параллельные или последовательные колебательные контуры, которые настраиваются на заданную рабочую частоту 
. В LC-генераторах обычно превышает значение 40 кГц.
Эти генераторы имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Особенно это проявляется при создании автогенераторов диапазона инфранизких частот, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются большими.
В генераторе LC- типа формы выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено хорошими фильтрующими свойствами колебательного LC-контура. Они, как правило, работают с «отсечкой» тока активных приборов усилителя. Соответственно форма выходного тока усилителя резко отличается от синусоидальной. При этом в начальный момент возникновения автоколебаний |g|»1, что обеспечивает устойчивую работу автогенератора даже при значительных изменениях параметров его элементов. Для самовозбуждения генератора LC-типа также необходимо наличие положительной обратной связи.
Сущность самовозбуждения заключается в следующем. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного чаще всего в коллекторную цепь транзистора, заряжается. В контуре возникают затухающие автоколебания, причем часть тока (напряжения) этих колебаний подается на управляющие электроды активного прибора, образуя положительную обратную связь. Это приводит к пополнению энергии LC-контура. Автоколебания превращаются в незатухающие. Частота автоколебаний в первом приближении определяется резонансной частотой LC- контура:
Многочисленные схемы автогенераторов LC-типа различаются в основном схемами введения сигнала обратной связи и способами подключения к усилителю колебательного контура.
Рисунок 3 — LC- автогенераторы: а - с трансформаторной ОС; б - с автотрансформаторной ОС; в - с емкостной трехточкой
Для количественной оценки устойчивости автоколебаний часто вводят коэффициент регенерации. Это безразмерный коэффициент, характеризующий режим работы автогенератора и показывающий, во сколько раз можно уменьшить добротность Q колебательной системы по сравнению с ее исходным значением, чтобы автогенератор оказался на границе срыва колебаний:
, где
XL — реактивное сопротивление индуктивности контура;
R — эквивалентное активное сопротивление контура, включающее и сопротивление активного элемента, шунтирующего его. В низкочастотных автогенераторах коэффициент регенерации обычно не менее 1,5-3.
Следует отметить, что в транзисторных генераторах источник возбуждающих колебаний имеет, как правило, малое внутреннее сопротивление. Следовательно, в цепи базы протекает ток несинусоидальной формы, а напряжение база – эмиттер остается синусоидальным.
Генераторы RC-типа
Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15-20 кГц затруднено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.
Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 — Структурная схема RC-генератора
Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для самовозбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающую входное напряжение или равную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины.
При непосредственном соединении выхода усилителя с его входом происходит самовозбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполняться для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных колебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах.
Рисунок 6 — Трехзвенные фазовращающие цепочки: а - типа «R-параллель»; б - типа «C-параллель»
Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно
В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки п- 3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки.
На рисунке 6 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Частота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R2 = R3 = R и Ct = С2 = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рисунке 6, а:
для схемы на рисунке 6, б:
Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.
Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание
Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f0 лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.
На рисунке 7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.
С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генератор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор RK усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затухание в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1.
Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся незатухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.
Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Рисунок 7 — RC-генератор с последовательно-параллельной фазовращающей цепью
Рисунок 8 — Избирательная цепочка обратной связи
Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно
Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть равен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Реальный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее Ко = 3. Поэтому целесообразно наряду с положительной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время существенно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого —генератора приведена на рисунке 9.
Рисунок 9 — Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты
Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с помощью спаренного потенциометра R1R2.
В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, универсальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внешних компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами.
Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей.
Существуют и другие способы генерирования синусоидальных колебаний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов.
Контрольные вопросы
1. Что такое колебательный контур?
2. От чего зависит период колебаний в колебательном контуре?
3. Что такое электронный генератор?
4. Опишите принцип работы электронного генератора, изобразите его структурную схему
5. Какие элементы используются в качестве частотно-задающих в генераторах LC-типа?
6. Что характеризует и как определяется коэффициент регенерации автогенератора?
7. Назовите элементы структурной схемы генератора синусоидальных колебаний типа RC.