Elektronické generátory

Generátory jsou elektronická zařízení, která přeměňují energii zdroje stejnosměrného proudu na energii střídavého proudu (elektromagnetické kmitání) s různými formami požadované frekvence a výkonu.

Elektronické generátory používané v rozhlasovém vysílání, medicíně, radarech, jsou součástí analogově-digitálních převodníků, mikroprocesorových systémů atd.

Žádný elektronický systém není kompletní bez interních nebo externích generátorů, které určují tempo jeho provozu. Základní požadavky na generátory — stabilita frekvence vibrací a schopnost z nich odebírat signály pro další použití.

Klasifikace elektronických generátorů:

1) podle tvaru výstupních signálů:

— sinusové signály;

— obdélníkové signály (multivibrátory);

— lineárně se měnící napěťové signály (CLAY) nebo se také nazývají generátory pilového napětí;

— signály zvláštního tvaru.

2) z frekvence generovaných kmitů (podmíněně):

— nízká frekvence (do 100 kHz);

— vysoká frekvence (nad 100 kHz).

3) metodou buzení:

— s nezávislým (vnějším) buzením;

— se samobuzením (autogenerátory).

Autogenerátor — samobuzený generátor, bez vnějšího vlivu, přeměňující energii zdrojů energie na nepřetržité vibrace, například vibrační obvod.

Obrázek 1 – Blokové schéma generátoru

Obvody elektronického generátoru (obrázek 1) jsou sestaveny podle stejných schémat jako zesilovače, pouze generátory nemají zdroj vstupního signálu, je nahrazen signálem pozitivní zpětné vazby (PIC). Připomínáme, že zpětná vazba je přenos části výstupního signálu do vstupního obvodu. Požadovaný tvar vlny zajišťuje struktura zpětnovazební smyčky. Pro nastavení frekvence kmitů jsou obvody OS postaveny na obvodech LC nebo RC (frekvence určuje dobu dobíjení kondenzátoru).

Signál generovaný v obvodu PIC je přiveden na vstup zesilovače, zesílen faktorem K a odeslán na výstup. V tomto případě se část signálu z výstupu vrací zpět na vstup přes obvod PIC, kde je zeslaben faktorem K, což umožní udržovat konstantní amplitudu výstupního signálu generátoru.

Oscilátory s nezávislým vnějším buzením (selektivní zesilovače) jsou výkonové zesilovače s odpovídajícím dílčím rozsahem, jejichž vstupem je elektrický signál z oscilátoru. Tyto. je zesíleno pouze určité frekvenční pásmo.

RC generátory

Pro vytvoření nízkofrekvenčních generátorů se obvykle používají operační zesilovače, např. obvod PIC, instalují se RC obvody pro zajištění dané frekvence f0 sinusových kmitů.

RC obvody jsou frekvenční filtry – zařízení, která propouštějí signály v určitém frekvenčním rozsahu a nepřecházejí do špatného rozsahu.V tomto případě je přes zpětnovazební smyčku zesilovač veden zpět na vstup zesilovače, což znamená, že je zesílena pouze určitá frekvence nebo frekvenční pásmo.

Obrázek 2 ukazuje hlavní typy frekvenčních filtrů a jejich frekvenční odezvu (AFC). Frekvenční odezva ukazuje šířku pásma filtru jako funkci frekvence.

Obrázek 2 — Typy frekvenčních filtrů a jejich frekvenční odezva

Typy filtrů:

— nízkopropustné filtry (LPF);

— vysokopropustné filtry (HPF);

— pásmové filtry (BPF);

— filtry blokující frekvence (FSF).

Filtry se vyznačují mezní frekvencí fc, nad nebo pod kterou dochází k prudkému útlumu signálu.Propustná pásma a odmítací filtry jsou také charakterizovány šířkou pásma IFP (RFP non-pass).

Obrázek 3 ukazuje schéma sinusového generátoru. Požadované zesílení se nastavuje pomocí obvodu OOS rezistorů R1, R2. V tomto případě je obvod PIC pásmovým filtrem. Rezonanční frekvence f0 je určena vzorcem: f0 = 1 / (2πRC)

Pro stabilizaci frekvence generovaných kmitů se jako frekvenční ladicí obvod používají křemenné rezonátory. Křemenný rezonátor je tenká minerální deska namontovaná v křemenném držáku. Jak víte, křemen má piezoelektrický efekt, což umožňuje použít jej jako systém ekvivalentní elektrickému oscilačnímu obvodu a mající rezonanční vlastnosti. Rezonanční frekvence křemenných desek se pohybují od několika kilohertzů do tisíců MHz s frekvenční nestabilitou typicky v řádu 10-8 a níže.

Obrázek 3 — Schéma RC sinusového generátoru

Multivibrátory jsou elektronické generátory obdélníkové signály.

Multivibrátor ve většině případů plní funkci hlavního oscilátoru, který generuje spouštěcí vstupní impulsy pro následující uzly a bloky v pulzním nebo digitálním akčním systému.

Obrázek 4 ukazuje schéma symetrického multivibrátoru na bázi IOU. Symetrický — doba pulsu obdélníkového pulsu se rovná době pauzy tpause = tpause.

IOU je pokryta kladnou zpětnou vazbou — obvody R1, R2 působící stejně na všech frekvencích. Napětí na nevychylovacím vstupu je konstantní a závisí na odporu rezistorů R1, R2. Vstupní napětí multivibrátoru je generováno pomocí OOS přes RC obvod.

Obrázek 4 — Schéma symetrického multivibrátoru

Úroveň výstupního napětí se mění z + Usat na -Us a naopak.

Je-li výstupní napětí Uout = + Usat, kondenzátor se nabíjí a napětí Uc působící na invertující vstup roste exponenciálně (obr. 5).

Při rovnosti Un = Uc dojde k prudké změně výstupního napětí Uout = -Us, což povede k přebití kondenzátoru. Po dosažení rovnosti -Un = -Uc se stav Uout opět změní. Proces se opakuje.

Obrázek 5 – Časové diagramy pro provoz multivibrátoru

Změna časové konstanty RC obvodu má za následek změnu doba nabíjení a vybíjení kondenzátoru, a tedy kmitočet oscilací multivibrátoru. Kromě toho frekvence závisí na parametrech PIC a je určena vzorcem: f = 1 / T = 1 / 2t a = 1 / [2 ln (1 + 2 R1 / R2)]

Pokud je potřeba získat asymetrické pravoúhlé kmity pro t a ≠ tp, používají se asymetrické multivibrátory, ve kterých je kondenzátor dobíjen v různých obvodech s různými časovými konstantami.

Jediný vibrátor (čekací multivibrátory) jsou navrženy tak, aby při vystavení krátkému spouštěcímu impulsu na vstupu vytvořily obdélníkový napěťový impuls požadované délky. Monovibrátory se často nazývají elektronická zpožďovací relé.

V technické literatuře je toho víc. název one-shot je čekající multivibrátor.

Monovibrátor má jeden dlouhodobý ustálený stav, tedy rovnováhu, ve které se nachází před aplikací spouštěcího impulsu. Druhý možný stav je dočasně stabilní. Univibrátor vstoupí do tohoto stavu působením spouštěcího impulsu a může v něm být po omezenou dobu tv, po které se automaticky vrátí do výchozího stavu.

Hlavními požadavky na jednorázová zařízení jsou stabilita doby trvání výstupního impulsu a stabilita jeho výchozího stavu.

Generátory lineárního napětí (CLAY) vytvářejí periodické signály, které se lineárně mění (pulzy pilových zubů).

Pilové impulsy jsou charakterizovány délkou trvání pracovního zdvihu tp, trváním zpětného zdvihu do a amplitudou Um (obrázek 6, b).

Pro vytvoření lineární závislosti napětí na čase se nejčastěji používá nabíjení (nebo vybíjení) kondenzátoru konstantním proudem. Nejjednodušší schéma CLAY je znázorněno na obrázku 6,a.

Při sepnutém tranzistoru VT se kondenzátor C2 nabíjí napájecím zdrojem Up přes rezistor R2. V tomto případě se napětí v kondenzátoru a tedy na výstupu lineárně zvyšuje.Když kladný impuls dorazí na bázi, tranzistor se otevře a kondenzátor se rychle vybije přes svůj nízký odpor, což zajišťuje rychlé snížení výstupního napětí na nulu – a naopak.

CLAY se používá v zařízeních pro skenování paprsků v CRT, v analogově-digitálních převodnících (ADC) a dalších konverzních zařízeních.

Obrázek 6 — a) Nejjednodušší schéma vzniku lineárně se měnícího napětí b) Časový diagram trionových pulzů.