Генераторы синусоидальных колебаний

Любой генератор состоит из усилителя и цепи положительной обратной связи. Структурная схема генератора представлена на рис. 14.12.

Рис. 14.12

За счет влияния цепи обрат­ной связи на делитель на его вы­ходе появляется напряжение даже при отсутствии напряжения на входе, т.е. происходит самовозбуждение дели­теля и превращение его в генератор.

Чтобы на выходе генератора получить периодические колебания задан­ной частоты, в цепь его обратной связи необходимо включить колебательный контур, настроенный на данную частоту. В зависимости от состава элементов контура автогенераторы бывают LC и RC-типов (рис. 14.13).

а) б)

Рис. 14.13

Схема LC -генератора (рис.14.13 а) объединяет однокаскадный делитель на транзисторе VT и колебательный контур LC, включенный в цепь положи­тельной обратной связи генератора. Подбором L и C устанавливают требуемую частоту колебаний .

После включения источника питания в контуре LC возникают колеба­ния и переменный ток базы усиливается транзистором. Протекающий через катушку ток коллектора создает на ней падение напряжения, которое в проти­вофазе (вследствие встречного включения катушек и ) за счет индук­тивной связи между катушками подается в колебательный контур. Амплитуда колебаний постепенно возрастает до определенного значения (насыщения тран­зистора) и в дальнейшем не изменяется.

Недостатком рассмотренной схемы генератора является большое влияние температуры на амплитуду и частоту вырабатываемых напряжений. Поэтому часто эти схемы дополняют элементами, стабилизирующими параметры гене­рируемых напряжений.

Для получения периодических напряжений низкой частоты (от долей герца до нескольких килогерц) целесообразно в генераторе вместо LC контура использовать RC-цепь (рис. 14.13 б).

Эта замена упрощает конструкцию и снижает массу генератора. В отли­чие от LC-генератора в этой схеме положительная обратная связь образована частотно-зависимой RC-цепью. Если выходное напряжение генератора, снимаемое с коллектора транзистора, подать непосредственно на вход усили­теля (на базу транзистора), то создается отрицательная обратная связь.

Чтобы получить одинаковые фазы выходного и входного напряжений, необходимо напряжение на RC-цепи сдвинуть на 180°. Это осуществляют тремя RC-элементами, каждый из которых позволяет получить фазовый сдвиг на 60°. Несмотря на усложнение схемы генератора, она проста в реализации, особенно для низких частот, так как не требует индуктивных катушек, имеющих боль­шие габариты и массу.

Мультивибраторы

Генератор, представляющий собой двухэлементный усилитель с емкостной связью, выход которого соединен с входом, называют мультивибратором.

Мультивибраторы бывают симметричные, если транзисторы VT1 и VT2 (рис. 14.14) и аналогичные элементы схемы каждого усилителя одинаковы, и несимметричным, если эти условия не выполняются.

Рис. 14.15

Транзисторы в данной схеме работают в ключевом режиме. Мультивибра­тор может иметь два состояния равновесия. В одном из них транзистор VT1 пол­ностью открыт, а транзистор VT2 закрыт (состояние отсечки). В другом –наоборот, транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт (режим насыщения). Каждое из этих состояний неустойчиво Когда отрицательный потенциал базы закрытого транзи­стора при зарядке соответствующего конденсатора достигает потенциала источника питания, равновесие нарушается, закрытый транзистор открывается, а открытый, наоборот, закрывается. Мульти­вибратор переходит в новое состояние равновесия. Временная диаграмма работы мультивибратора показана на рис. 14.15.

Мультивибраторы, работающие в ав­токолебательном режиме, используют в электронных устройствах в качестве за­дающих генераторов и делителей частоты.

Широкое распространение получили мультивибраторы, построенные на основе интегральных операционных усилителей и компараторов. Они характеризуются сравни­тельно высокой стабильностью работы.

Про­стейшая схема мультивибратора на основе ОУ показана на рис. 14.16.

Мультивибратор охва­чен обратной связью через делитель R₁, R₂, а времязадающая RC-цепь подключена к инвер­тирующему вводу. Амплитуда выходного сиг­нала и длительность импульсов данной схемы зависит от напряжения источника питания и температуры. Эти недостатки можно исклю­чить, дополнив схему диодным ограничителем на стабилитронах.

Глава 15. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
И УСТРОЙСТВА

Электронные ключи

Для выполнения различных коммутаций в устройствах автоматики и вычислительной техники, включения и выключения элементов, источников питания исполь­зуют электронные ключи.

В статическом режиме ключ может находиться либо в замкнутом состоя­нии (включенном), либо в разомкнутом (выключенном). Основу любого ключа составляет активный элемент (диод, транзистор, тиристор), работающий в клю­чевом режиме.

Электронные ключи характеризуют следующими параметрами: пере­ключательной характеристикой, представляющей собой зависимость ; нагрузочной характеристикой, определяемой зависимостью выходного параметра от нагрузки; помехоустойчивостью и мощностью, потребляемой от источника пита­ния.

Простейшая схема ключа может быть реализована на основе диода (рис. 15.1). Замкнутому положению такого ключа соответствует наличие на его входе напряжения положительной полярности. Если на входе действует сигнал по­лярности, то ключ открыт – разомкнут.

Диодные ключи применяют в основном для ограничения амплитуд на­пряжения. Их недостатками являются невозможность усиления входного на­пряжения и наличие непосредственной связи между выходной и входной це­пями.

Такие недостатки отсутствуют у транзисторных ключей (рис. 15.2), так как закрытый биполярный транзистор имеет очень большое сопротивление, а открытый – очень малое. Кроме того, транзисторный ключ позволяет усили­вать входной сигнал по мощности и раз­делять выходную и входную цепи. При отсутствии входного сигнала транзистор закрыт и ток его коллектора очень мал. При поступлении на вход импульса прямоугольной формы транзистор открывается и в цепи коллектора протекает максимальный ток, зависящий от крутизны его выходной характеристики. Особенностью такого ключа является сохранение напряжения в течение некоторого времени на его выходе после исчезновения входного импульса.

Это явление обусловлено временем жизни неосновных носителей зарядов в об­ласти базы транзистора. Для уменьшения времени нарастания (фронта) и спада (среза) выходного импульса применяют различные способы. Один из них – использование RC-цепи на входе схемы. В момент нарастания им­пульса конденсатор заряжается, в момент спада – разряжается через рези­стор. При этом на резисторе, значит, и на базе транзистора создается положительный потен­циал, запирающий транзистор, и вследствие этого ток коллектора быстро уменьшается.

Время переключения ключей на биполяр­ных транзисторах, а также входное сопротивление можно увеличить, используя вместо биполярных транзисторов полевые (рис. 15.3).

Триггеры

Электронное устройство, имеющее два устойчи­вых стационарных состояния, в котором переходы из одного состояния в другое и обратно осуществляются под действием запускающих импуль­сов, называется триггером. Триггер содержит два транзистора, включенных по схеме с общим эмиттером и образующих двухэлементный усилитель постоян­ного тока, охваченный положительной обратной связью по напряжению (рис. 15.4 а).

Рис. 15.4

Стационарные режимы триггера возможны при равенстве входного и выход­ного напряжений (точки 2, А, 1 на рис. 15.4 б). Стационарный режим, соответ­ствующий точке А, неустойчивый.

При любом незначительном отклонении от этого режима триггер переходит в одно из двух устойчивых состояний: 1 или 2. В состоянии 1 транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт. В состоянии 2 наоборот. Переход триггера из одного со­стояния в другое возможен, например, при подаче короткого положительного импульса на базу или короткого отрицательного импульса на коллектор закры­того транзистора.

В современной электронике триггеры выполняются на базе интегральных микросхем, построенных на основе логических элементов (см. гл. 16) и отно­сятся к базовым элементам цифровой и электронно-вычислительной техники.

Электронные реле

Для управления различными технологическими процессами переключе­ния (включения, выключения) в производстве и быту широко применяются бесконтактные коммутирующие устройства, называемые электронными реле.

Электронные реле в настоящее время выполняют на основе интеграль­ных микросхем. Основной частью электронного реле является усилитель по­стоянного тока. На вход усилителя подается сигнал от преобразователя элек­трической величины, устройство которого зависит от типа реле. Это может быть фотоэлектрический преобразователь (фотоэлектронное реле), термопара или терморезистор (тепловое реле), RC-цепь для задания времени срабатывания и др. На рис. 15.5 представлена схема простейшего электронного реле, выполненного на интегральном усилителе типа К118ТЛ1Г: а – реле вре­мени, б – фотореле, в – тепловое реле.

а) б) в)

Рис. 15.5

При подключении RС-цепи к источнику постоянного напряжения начи­нает заряжаться конденсатор. Как только напряжение на нем достигает значе­ния, достаточного для срабатывания усилителя, на его выходе появляется на­пряжение Продолжительность выдержки реле определяется постоянной времени заряда конденсатора . По истечении времени напряжение на конденсаторе становится почти равным ( ), а продолжитель­ность выдержки (с) реле

, (15.1)

где – напряжение срабатывания реле.

Продолжительность выдержки реле регулируют изменением сопротивле­ния резистора , через который заряжается конденсатор. Для повторного сраба­тывания реле необходимо отключить его от источника питания для воз­врата реле в первоначальное состояние.

В схеме фотореле (рис. 15.5 б) чувствительным к свету элементом явля­ется фоторезистор. Принцип действия такой схемы аналогичен рассмотренной. Чувствительность фотореле устанавливают переменным резистором , при регулировании которого изменяют входное напряжение усилителя – напряже­ние срабатывания реле. Особенностью конструкции фотореле является необходимость защиты фоторезистора от посторонних источников света, воздействие которых может привести к ложному срабатыванию реле.

В схеме теплового реле (рис. 15.5 в) чувствительном к температуре эле­ментом является терморезистор – резистор, сопротивление которого в большей мере зависит от температуры окружающей среды. Изменение сопротивления терморезистора под действием температуры ведет к изменению напряжения на нем. Это напряжение поступает на вход усилителя. Чувствительность теплового реле, как и фотореле, регулируют перемен­ным резистором .

Особенностью электронных реле является необходимость их предвари­тельной градуировки. Для градуировки фотореле применяют источник света с регулируемым световым потоком и образцовый прибор для измерения осве­щенности – люксметр, для градуировки теплового реле – регулируемый источ­ник тепла и образцовый термометр; для реле времени – секундомер.