Elektronické generátory

Generátory sú elektronické zariadenia, ktoré premieňajú energiu zdroja jednosmerného prúdu na energiu striedavého prúdu (elektromagnetické kmity) s rôznymi formami požadovanej frekvencie a výkonu.

Elektronické generátory používané v rozhlasovom vysielaní, medicíne, radaroch, sú súčasťou analógovo-digitálnych prevodníkov, mikroprocesorových systémov atď.

Žiadny elektronický systém nie je kompletný bez interných alebo externých generátorov, ktoré určujú tempo jeho činnosti. Základné požiadavky na generátory — stabilita frekvencie vibrácií a schopnosť odstraňovať signály z nich pre ďalšie použitie.

Klasifikácia elektronických generátorov:

1) podľa tvaru výstupných signálov:

— sínusové signály;

— pravouhlé signály (multivibrátory);

— lineárne sa meniace napäťové signály (CLAY) alebo sa nazývajú aj generátory pílovitého napätia;

— signály špeciálneho tvaru.

2) z frekvencie generovaných kmitov (podmienečne):

— nízka frekvencia (do 100 kHz);

— vysoká frekvencia (nad 100 kHz).

3) metódou budenia:

— s nezávislým (vonkajším) budením;

— so samobudením (autogenerátory).

Autogenerátor - samobudený generátor bez vonkajšieho vplyvu, ktorý premieňa energiu zdrojov energie na nepretržité vibrácie, napríklad vibračný okruh.

Obrázok 1 – Bloková schéma generátora

Obvody elektronického generátora (obrázok 1) sú zostavené podľa rovnakých schém ako zosilňovače, iba generátory nemajú zdroj vstupného signálu, je nahradený signálom pozitívnej spätnej väzby (PIC). Pripomíname, že spätná väzba je prenos časti výstupného signálu do vstupného obvodu. Požadovaný tvar vlny poskytuje štruktúra spätnoväzbovej slučky. Na nastavenie frekvencie kmitov sú obvody OS postavené na obvodoch LC alebo RC (frekvencia určuje čas nabíjania kondenzátora).

Signál generovaný v obvode PIC je privedený na vstup zosilňovača, zosilnený faktorom K a odoslaný na výstup. V tomto prípade sa časť signálu z výstupu vracia na vstup cez obvod PIC, kde je zoslabený faktorom K, čo umožní udržiavať konštantnú amplitúdu výstupného signálu generátora.

Oscilátory s nezávislým vonkajším budením (selektívne zosilňovače) sú výkonové zosilňovače s príslušným čiastočným rozsahom, ktorých vstupom je elektrický signál z oscilátora. Títo. zosilňuje sa len určité frekvenčné pásmo.

RC generátory

Na vytvorenie nízkofrekvenčných generátorov sa zvyčajne používajú operačné zosilňovače, ako je obvod PIC, inštalujú sa obvody RC na zabezpečenie danej frekvencie f0 sínusových kmitov.

RC obvody sú frekvenčné filtre – zariadenia, ktoré prepúšťajú signály v určitom frekvenčnom rozsahu a neprechádzajú do nesprávneho rozsahu.V tomto prípade sa cez spätnoväzbovú slučku zosilňovač privádza späť na vstup zosilňovača, čo znamená, že sa zosilňuje len určitá frekvencia alebo frekvenčné pásmo.

Obrázok 2 zobrazuje hlavné typy frekvenčných filtrov a ich frekvenčnú odozvu (AFC). Frekvenčná odozva ukazuje šírku pásma filtra ako funkciu frekvencie.

Obrázok 2 – Typy frekvenčných filtrov a ich frekvenčná odozva

Typy filtrov:

— dolnopriepustné filtre (LPF);

— vysokopriepustné filtre (HPF);

— pásmové filtre (BPF);

— filtre blokujúcej frekvencie (FSF).

Filtre sa vyznačujú medznou frekvenciou fc, nad alebo pod ktorou dochádza k prudkému útlmu signálu Priepustné pásma a filtre odmietnutia sa vyznačujú aj šírkou pásma IFP (RFP non-pass).

Obrázok 3 znázorňuje schému sínusového generátora. Požadované zosilnenie sa nastavuje pomocou obvodu OOS rezistorov R1, R2. V tomto prípade je obvod PIC pásmový filter. Rezonančná frekvencia f0 je určená vzorcom: f0 = 1 / (2πRC)

Na stabilizáciu frekvencie generovaných kmitov sa ako frekvenčný ladiaci obvod používajú kremenné rezonátory. Kremenný rezonátor je tenká minerálna doska namontovaná v kremennom držiaku. Ako viete, kremeň má piezoelektrický efekt, čo umožňuje použiť ho ako systém ekvivalentný elektrickému oscilačnému obvodu s rezonančnými vlastnosťami. Rezonančné frekvencie kremenných dosiek sa pohybujú od niekoľkých kilohertzov do tisícov MHz s frekvenčnou nestabilitou typicky rádovo 10-8 a menej.

Obrázok 3 – Schéma RC generátora sínusových vĺn

Multivibrátory sú elektronické generátory signály štvorcových vĺn.

Multivibrátor vo väčšine prípadov vykonáva funkciu hlavného oscilátora, ktorý generuje spúšťacie vstupné impulzy pre nasledujúce uzly a bloky v impulznom alebo digitálnom akčnom systéme.

Obrázok 4 zobrazuje schému symetrického multivibrátora na báze IOU. Symetrický — čas impulzu obdĺžnikového impulzu sa rovná času pauzy tpause = tpause.

IOU je pokrytá pozitívnou spätnou väzbou - obvod R1, R2 pôsobiaci rovnako na všetkých frekvenciách. Napätie na nevychylujúcom vstupe je konštantné a závisí od odporu rezistorov R1, R2. Vstupné napätie multivibrátora je generované pomocou OOS cez RC obvod.

Obrázok 4 – Schéma symetrického multivibrátora

Úroveň výstupného napätia sa mení z + Usat na -Us a naopak.

Ak je výstupné napätie Uout = + Usat, kondenzátor sa nabíja a napätie Uc pôsobiace na invertujúci vstup exponenciálne rastie (obr. 5).

Pri rovnosti Un = Uc dôjde k prudkej zmene výstupného napätia Uout = -Us, čo povedie k prebitiu kondenzátora. Keď sa dosiahne rovnosť -Un = -Uc, stav Uout sa opäť zmení. Postup sa opakuje.

Obrázok 5 – Časové diagramy pre prevádzku multivibrátora

Zmena časovej konštanty RC obvodu má za následok zmenu čas nabíjania a vybíjania kondenzátora, a teda frekvencia oscilácií multivibrátora. Okrem toho frekvencia závisí od parametrov PIC a je určená vzorcom: f = 1 / T = 1 / 2t a = 1 / [2 ln (1 + 2 R1 / R2)]

Ak je potrebné získať asymetrické pravouhlé oscilácie pre t a ≠ tp, používajú sa asymetrické multivibrátory, v ktorých sa kondenzátor dobíja v rôznych obvodoch s rôznymi časovými konštantami.

Jediný vibrátor (čakacie multivibrátory) sú navrhnuté tak, aby pri vystavení krátkemu spúšťaciemu impulzu na vstupe vytvorili obdĺžnikový napäťový impulz požadovanej dĺžky. Monovibrátory sa často nazývajú elektronické relé s časovým oneskorením.

V technickej literatúre je toho viac. názov one-shot je multivibrátor na počkanie.

Monovibrátor má jeden dlhodobý ustálený stav, v ktorom je rovnováha pred aplikáciou spúšťacieho impulzu. Druhý možný stav je dočasne stabilný. Univibrátor sa dostane do tohto stavu pôsobením spúšťacieho impulzu a môže v ňom byť obmedzený čas tv, po ktorom sa automaticky vráti do pôvodného stavu.

Hlavnými požiadavkami na jednorazové zariadenia sú stabilita trvania výstupného impulzu a stabilita jeho počiatočného stavu.

Generátory lineárneho napätia (CLAY) vytvárajú periodické signály, ktoré sa lineárne menia (pilové impulzy).

Impulzy pílových zubov sú charakterizované trvaním pracovného zdvihu tp, trvaním spätného zdvihu do a amplitúdou Um (obrázok 6, b).

Na vytvorenie lineárnej závislosti napätia na čase sa najčastejšie používa nabíjanie (alebo vybíjanie) kondenzátora konštantným prúdom. Najjednoduchšia schéma CLAY je znázornená na obrázku 6, a.

Keď je tranzistor VT zatvorený, kondenzátor C2 sa nabíja napájacím zdrojom Up cez odpor R2. V tomto prípade sa napätie v kondenzátore a teda na výstupe lineárne zvyšuje.Keď pozitívny impulz dorazí na základňu, tranzistor sa otvorí a kondenzátor sa rýchlo vybije cez jeho nízky odpor, čo poskytuje rýchle zníženie výstupného napätia na nulu - a naopak.

CLAY sa používa v zariadeniach na skenovanie lúčov v CRT, v analógovo-digitálnych prevodníkoch (ADC) a iných konverzných zariadeniach.

Obrázok 6 — a) Najjednoduchšia schéma vzniku lineárne sa meniaceho napätia b) Časový diagram triónových impulzov.