УНИВЕРСАЛЬНЫЙ LC ГЕНЕРАТОР
Радио, 1979, №5
Генератор, схема которого приведена на рисунке, предназначен для измерительной аппаратуры. Важным преимуществом этого генератора является возможность использовать резонансные контуры практически с любым отношением L/C. Так, он одинаково устойчиво работает, если индуктивность катушки L1 изменяется а пределах от 50 мкГн до 100 мГн, а ёмкость конденсатора C1 -от 50 пФ до 5 мкФ. Например, при индуктивности L1 = 50 мкГ и ёмкости С1 = 5 мкФ генерируемая частота будет около 10 кГц, а при той же индуктивности и C1 = 50 пФ — 3,2 МГц. Кроме того, к числу достоинств данного генератора следует отнести малое напряжение на LC-контуре — примерно 100 мВ. В некоторых случаях это существенно, например, при измерении параметров варикапов.
Генератор выполнен на транзисторах V1 и V2. Каскад на транзисторе V3 — предварительный усилитель, сигнал с которого поступает на выходной усилитель (транзистор V8) и на узел автоматической регулировки уровня выходного сигнала генератора, Поскольку на предварительный усилитель сигнал поступает непосредственно с колебательного контура генератора, то узел АРУ поддерживает постоянным напряжение и на этом контуре.
Выходное напряжение практически остаётся постоянным при изменении напряжения питания от 3,5 до 15 В. Его удобно выбрать равным 5 В. В этом случае уровень сигнала на выходе генератора будет совместим с устройствами транзисторно-транзисторной логики.
В генераторе можно использовать любые кремниевые высокочастотные транзисторы, причём транзисторы V1-V3 должны иметь достаточно большой коэффициент передачи тока (не менее 150). В том случае, если имеют место паразитные высокочастотные колебания, то следует несколько увеличить сопротивление резистора R2.
«Funkshau» (ФРГ), 1978, № 18
В генераторе можно применить транзисторы КТ361Б, Г (V1, V2, V3) и КТ315Б, Г [V6, V7, V8), диоды (V4, V5) могут быть типа КД503А.
BACK
Паяем генератор Клаппа с частотой 11 МГц
Если вы давно почитываете этот блог, то уже знакомы по крайней мере с двумя генераторами — мультивибратором и таймером 555. Однако такие генераторы не подходят, если вам нужно получить высокочастотный сигнал. LC-генераторы, с другой стороны, способны выдавать ВЧ-сигналы в десятки мегагерц. Звучит, как что-то полезное. Давайте же попробуем спаять такой генератор.
Генератор Клаппа: теория
Как мы убедились, благодаря первому эксперименту из поста Первые эксперименты с осциллографом Rigol DS1054Z, LC-контур умеет создавать колебания. Проблема в том, что колебания эти затухают за счет паразитного сопротивления в цепи, от которого никуда не деться. Но что, если время от времени «подталкивать» контур, не давая колебаниям затухнуть? На этом принципе и работают все LC-генераторы.
Существует несколько схем LC-генераторов — это генератор Хартли, генератор Колпитца, генератор Клаппа, и другие. В рамках этого поста мы сосредоточим свое внимание на генераторе Клаппа.
Схем генератора Клаппа также существует несколько вариантов. Я использовал следующую:
LC-контур находится в правой части схемы, см L2 и C5. Главным образом, эти два компонента и задают частоту генератора. Находящиеся рядом конденсаторы C2 и C3 определяют feedback ratio. Обычно C2 и C3 берут намного больше C5, чтобы они не сильно влияли на частоту. Левая часть схемы является усилительным каскадом с общей базой. L1 представляет собой RFC. Она нужна для того, чтобы усилительный каскад получал стабильный постоянный ток. Чем больше индуктивность L1, тем лучше. С колебательного контура сигнал идет на усилительный каскад. Оттуда усиленный сигнал возвращается на колебательный контур с фазовым сдвигом 360° и «подталкивает» его. В конечном счете образуются стабильные периодические колебания. При указанных на схеме номиналах частота сигнала на выходе составит 2.3 МГц.
В общем случае частота определяется по формуле:
import math
C2 = 1/1000/1000/1000 # 1 nF
C5 = 1/1000/1000/1000 # 1 nF
L2 = 10/1000/1000 # 10 uH
1 / (2*math.pi*math.sqrt(L2*(1/(1/C2+1/C3+1/C5))))
2306374.2413629955
Значения R1 и R2 подбирались в симуляторе CircuitJS таким образом, чтобы при сопротивлении R5 в 500 Ом через него шел ток около 1 мА. R5 изображен в виде потенциометра, потому что для правильной работы генератора его приходится подстраивать. У меня схема заработала, если выставить R5 в 270 Ом.
Вы можете изучить работу приведенной схемы в CircuitJS, перейдя по следующей ссылке. Также в исходниках к статье вы найдете схему для этого симулятора, сохраненную в текстовом виде. Обратите внимание, что при симуляции в CircuitJS время шага симуляции должно быть выставлено намного меньше периода генератора. Сделать это можно в меню Options → Other Options… → Time step size. Для частоты 2.3 МГц неплохо работает значение «10n».
Следует отметить, что есть и альтернативное объяснение работы LC-генераторов. LC-контур можно рассматривать, как полосно-пропускающий фильтр, который подавляет все частоты, кроме своей резонансной частоты. В цепи всегда присутствует какой-то шум. Этот шум усиливается каскадом с общей базой. Затем LC-контур отфильтровывает из шума все ненужные частоты и возвращает усилителю. Цикл повторяется снова и снова, пока не останется только резонансная частота.
Добавляем эмиттерный повторитель
Проблема описанного генератора заключается в том, что он не может выдавать большой ток. Если к приведенной схеме вы добавите нагрузку в 50 Ом, ваш сигнал превратится в тыкву.
Для решения этой проблемы я использовал эмиттерный повторитель (emitter follower, он же common-collector amplifier):
Приведенная схема не увеличивает амплитуду сигнала, но усиливает его по току. На входе у нее должен быть конденсатор, но здесь он будет лишним, поскольку у нас уже есть C6 на выходе генератора. Схема неплохо работает для входного сигнала с амплитудой где-то до 3.3 В. Однако как экспериментально, так и благодаря CircuitJS, мы видим, что генератор выдает сигнал амплитудой в 10 В. К счастью, нам ничего не нужно делать для решения этой проблемы. Дело в том, что генератор видит эмиттерный повторитель, как нагрузку, а поскольку генератор не может выдавать большой ток, амплитуда сигнала сама падает где-то до 3 В.
Номиналы R3, R4 и резистора на эмиттере были рассчитаны, как описано в 4-ой главе «Practical Electronics for Inventors, 4th Edition»:
import mathVcc = 5 # напряжение питания
Iq = 0.1 # требуемый ток
hFE = 300 # hFE транзистора
Rload = 50 # сопротивление нагрузки
Re = (Vcc/2)/Iq # резистор на эмиттере
R3 = R4 = (hFE*Re/10)*2
F_3db = 1000
Rinac = hFE*((Re*Rload)/(Re+Rload))
Rin = 1/(1/R3 + 1/R4 + 1/Rinac)
Cin = 1/(2*math.pi*F_3db*Rin)
Cin * 1000 * 1000 * 1000
Cout * 1000 * 1000 * 1000
Fun fact! Согласно даташуту [PDF], hFE транзистора 2N2222 может находится где угодно от 35 до 300 и, помимо прочего, зависит от напряжения и протекающего через транзистор тока. При проектировании схемы, использующей транзисторы, следует позаботиться о том, чтобы она правильно работала при любых возможных значениях hFE.
Re у меня получился всего 25 Ом. Я решил разбить его на два последовательно соединенных резистора по 12 Ом, поскольку один резистор заметно грелся.
Емкость конденсаторов на входе и выходе повторителя (Cin, Cout) меня не сильно интересовали. Вообще-то, они образуют RC-фильтры высоких частот (Cin — с Rin, Cout — с Rload), и потому могут быть вредны для нашего сигнала. Но если просто взять Cin и Cout, скажем, по 100 нФ, то фильтры будут резать какие-то килогерцы, мы же выдаем мегагерцы. Брать же Cin и Cout поменьше, для фильтрации нежелательных мегагерцовых сигналов, имеет мало смысла, так как у нас уже есть крутейший полосно-пропускающий фильтр в самом генераторе.
Генератор Клаппа: практика
Генератор на 2.3 МГц нетрудно собрать на макетке. Но мне хотелось получить генератор более высокой частоты, и тут макетка уже не особо работает. Было решено развести плату в KiCad, перенести ее на фольгированный текстолит при помощи фоторезиста и вытравить перекисью водорода с лимонной кислотой.
Вот, что у меня получилось в итоге:
С учетом имевшихся у меня под рукой компонентов, того факта, что амплитуда генерируемого сигнала постепенно падает с увеличением частоты, а также серии экспериментов, были выбраны C2 = 1 нФ, C3 = 1 нФ, C5 = 100 пФ, L2 = 2.2 мкФ. Потенциометр R5 был поставлен в 14 Ом. Полученный генератор выдает сигнал с частотой около 11 МГц:
Расчетная частота при этом заметно выше, 11.75 МГц. Впрочем, такая несостыковка вполне укладывается в 10-и процентную погрешность компонентов. Для корректировки частоты на месте C5 можно было бы использовать переменный конденсатор.
Что же до спектра сигнала, то он выглядит так:
При получении обоих скриншотов использовалась нагрузка в 50 Ом.
Заключение
Следует учитывать, что подобные схемы чувствительны к наводкам, качеству источника питания, паразитным емкостям, и так далее. Для решения этих проблем рекомендуется делать ножки компонентов как можно короче (еще лучше — делать все на SMD компонентах) и использовать линейный блок питания.
Обратите внимание, что амплитуда сигнала постепенно падает с увеличением частоты — 2.7 В при частоте 2.3 МГц и 0.6 В при частоте 11 МГц. Похоже, чтобы получить генератор на большую частоту, придется переделать схему на питание от 10-15 В и/или каскад с общим эмиттером (common-emitter amplifier). Последний способен увеличивать не только ток, но и напряжение.
Наконец, отмечу, что представленный LC-генератор не отличаются особой стабильностью. Проверяется очень просто. Берем паяльный фен, ставим на минимальную температуру (у меня это 100°C) и буквально пару секунд дуем на генератор. Видим, как частота моментально уплывает на 300 кГц. Для изготовления стабильного генератора он должен быть основан на кварцевом резонаторе, а также использовать NP0 конденсаторы и, желательно, компоненты с погрешностью 1%. Однако это уже тема для другой статьи.
Все исходники к посту вы найдете в этом репозитории на GitHub. Вас может заинтересовать файл frequencies.txt, содержащий полученные экспериментально номиналы, необходимые для генерации сигналов разных частот. Также в репозитории вы найдете проект для Qucs с симуляцией генератора Клаппа. При работе с высокими частотами Qucs более удобен, чем CircuitJS.
А доводилось ли вам паять LC-генераторы, и если да, то какие?
Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Генератор Клаппа на основе кварцевого резонатора, Кварцевый генератор на логическом инверторе 74HC04 и Генератор переменной частоты Super VXO.
Метки: Электроника.
LC-автогенераторы | conture.by
Двухточечный LC-автогенератор с трансформаторной обратной связью
Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 — Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с трансформаторной обратной связью
В этом генераторе в качестве усилительного элемента используется транзистор VT1 включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора является параллельный колебательный контур L2 C2. Этот контур используется как колебательная система, с помощью которой формируются колебания, и как избирательная цепь, от которой зависит частота и форма колебаний. Катушки индуктивности L1 и L2 образуют высокочастотный трансформатор. Кроме того катушка L1 является элементом обратной связи, с помощью которого колебания подаются на базу транзистора. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. С его помощью на транзистор подается напряжение смещения U0, которым задается положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Резистор R3 является температурной стабилизацией транзистора. Также R3 с конденсатором C4 образуют цепь автоматического смещения, которая осуществляет перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий. Конденсаторы С1 и С3 являются разделительными, и отделяют постоянную составляющую тока питания от переменной составляющей колебания. Электропитание генератора осуществляется от источника Ек.
Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении источника питания Ек происходит заряд конденсатора C2, который затем разряжается на L2. Таким образом, в контуре появляются колебания. Эти колебания, за счет ЭДС взаимоиндукции, возбуждают переменное напряжение в катушке L1, которое вместе с напряжением смещения U0 поступает на базу транзистора. За счет усилительных свойств возникшие колебания нарастают. По мере нарастания амплитуды колебаний возрастает ток базы транзистора. Постоянная составляющая этого тока создает падение напряжения на R3 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор С4). В результате этого, напряжение смещение, подаваемое на транзистор, уменьшается. Уменьшение U0 приводит к смещению рабочей точки вниз по характеристике, и генератор переходит в жесткий режим самовозбуждения. Колебания возрастают до значения точки устойчивого равновесия, и затем генератор переходит в стационарный режим работы.
Условие баланса амплитуд выполняется за счет усилительных свойств транзистора. Условие баланса фаз выполняется за счет транзистора включенного по схеме с общим эмиттером (осуществляет сдвиг фазы на 180°) и катушек индуктивности L1 и L2 (при подобном включении, каждая катушка сдвигает фазу на 90°).
Частота колебаний вырабатываемых данным автогенератором определяется выражением
wг=l(sqlrt(L2С2)) (15)
Амплитуда генерируемых колебаний определяется выражением
Umвых=Im1?wг?L2 (16)
Коэффициент обратной связи определяется выражением
Кос=М/L2 (17)
где М — взаимная индуктивность между катушками L1 и L2.
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством
М(sqrt(L2C2? QSдиф))>1 (18)
где Q — добротность колебательного контура;
Sдиф — дифференциальная крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента.
Трехточечные автогенераторы
Как отмечалось выше трехточечным автогенератором является генератор, в котором колебательный контур подключается к усилительному элементу тремя точками. В этих генераторах используются колебательные контуры второго и третьего рода. Чтобы определить местоположение элементов колебательной системы таких генераторов рассмотрим обобщенную трехточечную схему. В этой схеме (рисунок 12) элементы колебательной системы заменим реактивными сопротивлениями XКБ, XБЭ, XКЭ (активными сопротивлениями можно пренебречь). Индексы обозначают точки подключения этих элементов к транзистору.
Элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками индуктивности или более сложными электрическими цепями. В такой схеме автогенератора колебания могут возникнуть на частоте генерации fг при выполнении условия резонанса
XКБ+XБЭ+XКЭ=0 (19)
Рисунок 12 — Обобщенная трухточечная схема автогенератора
Следовательно, один из элементов должен иметь противоположный знак по отношению к двум другим элементам. Определить знаки элементов можно исходя из коэффициента обратной связи
Кос= XБЭ/XКЭ (20)Согласно уравнению автогенератора коэффициент обратной связи должен быть положительным. Следовательно элементы XБЭ, XКЭ должны иметь одинаковый знак, а элемент XКБ должен иметь противоположный знак. В соответствии с вышеизложенным можно составить два варианта трехточечных схем: емкостную (рисунок 13, а) и индуктивную (рисунок 13, б).
Рисунок 13 — Упрощенные трёхточечные схемы автогенераторов
Одним из генераторов, эквивалентным трехточечной индуктивной схеме, является LC автогенератор с автотрансформаторной связью. Принципиальная электрическая схема этого генератора приведена на рисунке 14.
Рисунок 14 — Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с автотрансформаторной обратной связью
В этом генераторе используется колебательный контур второго рода L1 C4. Колебательный контур подключается к транзистору VT1 через блокировочные конденсаторы большой емкости С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Начальное смещение рабочей точки задается делителем напряжения R1 R2. Перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий осуществляется цепью автоматического смещения R3 C3. Элементы С2 R4 выполняют функции фильтра цепи питания, который предотвращает влияние высокочастотных колебаний на источник постоянного тока Ек.
Конденсатор С5 является разделительным конденсатором, он предотвращает поступление постоянной составляющей тока питания в нагрузку. Элементом обратной связи является часть витков катушки L1 включенная между базой и коллектором транзистора. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (часть витков катушки L1 включенная между коллектором и эмиттером) и емкостной ветвью (конденсатор С4 и часть витков катушки L1 включенная между базой и эмиттером транзистора). Т. к. токи в этих ветвях в любой момент времени противофазны, то баланс фаз будет соблюден (транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, также дает сдвиг фазы 180°).
Частота колебаний генератора с автотрансформаторной связью определяется выражением
wг= l(sqrt( L1 C4) (21)
Коэффициент обратной связи для этого генератора определяется выражением
Кос=Lбэ/Lкэ (22)
где Lбэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между базой и эмиттером транзистора VT1;
Lкэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между коллектором и эмиттером транзистора VT1.3 C4 >1 (23)
Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с емкостной обратной связью эквивалентный трехточечной емкостной схеме приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 — Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с емкостной обратной связью
В этом генераторе используется колебательный контур третьего рода С4 С5 L2. Контур подключается к транзистору через блокировочные конденсаторы С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Дроссель L1 с конденсатором С7 образуют фильтр цепи питания. В данной схеме используется схема параллельного коллекторного питания, в которой источник питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу. Элементом обратной связи является конденсатор С5. Назначение остальных элементов схемы аналогично схеме представленной на рисунке 14. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (элементы L2 С5) и емкостной ветвью (конденсатор С4).3 > 1 (26)
Генераторы синусоидальных колебаний
Генераторы электрических сигналов составляют довольно многочисленную группу устройств, входящих в состав медицинских приборов и аппаратов. Прежде всего, это генераторы стимулирующих сигналов для различных типов электрофизиологической аппаратуры, воздействующей на биологические объекты колебаниями различной формы и интенсивности. Кроме того, генераторы используются для обеспечения работы и создания требуемых режимов функционирования различных электронных схем медицинской аппаратуры.1.1 Генераторы синусоидальных колебаний
Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя ,охваченного положительной обратной связью (рис.1.1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения , передаваемого звеном обратной связи1.1 – Структурная схема генератора
Для возбуждения колебаний в системе рис.1.1 необходимо выполнение двух условий. Первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем () и звеном обратной связи () , в сумме должны быть кратными :
Второе условие , необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд , которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью:
При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.
1.1.1 LC-генераторы
На рис.1.2 показана схема LC-генератора c трансформаторной связью, которая представляет собой усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером. В качестве коллекторной нагрузки используется резонансный LC-контур с высокой добротностью.Рисунок 1.2 — Схема генератора с трансформаторнойсвязью
Сигнал обратной связи снимается со вторичной обмотки резонансного контура и через разделительный конденсатор Ср подается на базу транзистора обеспечивая суммарный фазовый сдвиг равный (баланс фаз). Если принять индуктивную связь между первичной (w1) и вторичной (w2) обмотками идеальной, для обеспечения баланса амплитуд необходимо выполнить условие:
где — коэффициент усиления по току транзистора, число витков первичной и вторичной обмоток, соответственно. Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура:
На рис.1.3 представлена часто используемая схема генератора Колпитца, выполненная на полевом транзисторе. Параллельный LC- контур установлен на входе и с выхода на вход через конденсатор Сос подается сигнал обратной связи. Частота синусоидальных колебаний напряжения на выходе генератора, как и в предыдущей схеме, обусловлена параметрами LC-контура.
Рисунок 1.3- Генератор Колпитца
Одним из важнейших параметров любого генератора является коэффициент нестабильности частоты генерируемых колебаний
где -абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. За счет колебаний температуры и напряжения источника питания коэффициент нестабильности транзисторных LC-генераторов не превышает десятых долей процента.
1.1.2 Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты
Существенное уменьшение нестабильности генераторов может быть достигнуто за счет использования кварцевого резонатора, который представляют собой особым образом вырезанную и отшлифованную пластину натурального или искусственного кварца. Кварц — пьезоэлектрик , поэтому упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания, в свою очередь, генерируют напряжение на гранях кристалла. В этом случае кристалл ведет себя как RLC-элемент, эквивалентная схема которого приведена на рис.1.4.Рисунок 1.4 — Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора
Два конденсатора эквивалентной схемы дают пару близко расположенных резонансных частот – последовательного и параллельного контура, отличающихся друг от друга не более чем на 1%. В целом кварцевый резонатор ведет себя как резонансный контур с высокой добротностью ( около 10000) и высокой стабильностью параметров. При включении резонатора в положительную обратную связь и выполнении условия баланса амплитуд на резонансной частоте возникают автоколебания.
Рисунок 1.5 – Генератор Пирса
На рис.1.5 представлен генератор синусоидальных колебаний на полевом транзисторе, который известен как генератор Пирса. За счет кварцевого резонатора фаза выходного сигнала изменяется на 1800, т.е суммарный сдвиг фазы по отношению к сигналу на затворе достигает , что приводит к возникновению колебаний на резонансной частоте кварца. Другая схема (рис.1.6) представляет собой аналог генератора Колпитца (рис.1.3), в котором LC – контур заменен кварцевым резонатором. Наличие кварцевого резонатора обеспечивает коэффициент нестабильности генератора не выше 10-6 в диапазоне температур от 0 до 50оС.
Рисунок 1.6 – Кварцевый генератор Колпитца
Генераторы, аналогичные рассмотренным, целесообразно использовать на высоких частотах. Это связано с тем , что по мере снижения частоты генерации габаритные размеры LC- контура недопустимо возрастают. Изготовление кварцевых резонаторов на частоты ниже нескольких десятков килогерц также связано со значительными технологическими трудностями.
1.1.3 RC – генераторы
В генераторах этого типа баланс фаз достигается за счет специальной фазосдвигающей RC – цепи, устанавливаемой в цепи обратной связи. Схема простейшего RС-генератора на транзисторе приведена на рис.1.7.Трехзвенная RC-цепь на частоте квазирезонанса обеспечивает сдвиг фазы, равный 1800. Схема с общим эмиттером, на которой собран генератор, изменяет фазу сигнала на выходе по отношению ко входному также на 1800, т.е. суммарный фазовый сдвиг равен , за счет чего выполняется условие баланса фаз. При условии С1=С2=С3=С и R3=R4=RвхVT = R коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи равен примерно 1/29, поэтому, если коэффициент усиления транзисторного каскада КUРисунок 1.7 – RC-генератор на транзисторе
Не смотря на простоту схемы данный генератор находит ограниченное применение в практических устройствах. Это связано с тем, что коэффициент нелинейных искажение выходного напряжения может достигать 10% а стабильность частоты недостаточна. Следует отметить, что в схеме рис.1.7 можно в некоторых пределах изменять частоту генерации. Для этого последовательно с резистором R3 устанавливают переменное сопротивление.
Рисунок 1.8 – RC-генератор с мостом Вина
Наиболее часто для построения RC-генераторов используется мост Вина, который не имеет фазового сдвига на частоте квазирезонанса , а коэффициент передачи на этой частоте равен 1/3. На рис.1.8 приведена генератора синусоидальных колебаний на основе моста Вина. Он представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления (1+R1/R2), на неинвертирующий вход которого подается сигнал с моста Вина. Так как фазовый сдвиг моста Вина равен нулю, в схеме обеспечивается баланс фаз. Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления неинвертирующего усилителя должен быть К>3. Выполнение этого условия приводит к возникновению автоколебаний в схеме на частоте
Особенностью данного генератора является необходимость достаточно точно поддерживать величину коэффициента усиления усилителя. При уменьшении коэффициента усиления колебания затухают, при увеличении – амплитуда выходного напряжения начинает возрастать, вплоть до насыщения выходных каскадов усилителя, что приводит к искажению формы выходного сигнала. Для поддержания синусоидальной формы выходного напряжения в схеме рис.1.8 предусмотрена цепь автоматической регулировки усиления (АРУ). Активным элементом АРУ является полевой транзистор, включенный параллельно резистору R2. Транзистор работает в режиме регулируемого резистора . На затвор транзистора подается выпрямленное и сглаженное напряжение с выхода генератора. При увеличении выходного напряжения транзистор подзапирается, его сопротивление «сток-исток» возрастает , шунтирующее действие транзистора уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя, а значит и к восстановлению исходного значения амплитуды сигнала на выходе генератора. Уменьшение амплитуды выходного напряжения оказывает обратное действие.
Наличие глубокой отрицательной связи в схеме обеспечивает высокую стабильность усилительного звена в RC-генераторе. Поэтому температурная нестабильность частоты генераторов определяется, в основном, зависимостью от температуры параметров элементов RC-звена обратной связи. Поэтому в практических схемах данного вида можно получить значение коэффициента нестабильности на уровне
Во многих случаях при практическом применении RC- генераторов синусоидальных колебаний возникает задача регулировки частоты. При построении генераторов с регулируемой частотой следует учитывать то факт, что изменение хотя бы одного из частотозадающих элементов изменяет условие возникновения генерации, что может привести к срыву колебаний. В силу этого в схеме рис.1.7 регулировка частоты связана с определенными трудностями, так как при изменении величины резистора R3 требуется корректировка коэффициента усиления транзисторного усилителя. Однако изменение сопротивления R1 изменяет входное сопротивление транзисторного каскада, а изменение коллекторной нагрузки R2 может привести к изменению параметров рабочей точки транзистора и его переходу в нелинейный режим работы. Это ограничивает практическое использование генератора рис.1.7 в схемах с регулируемой частотой.
В генераторе на основе моста Вина условие устойчивой генерации заключается в том, чтобы коэффициент усиления сигнала по цепям положительной и отрицательной обратной связи был равен единице на любой частоте. Поэтому при изменении частоты колебаний выходного напряжения в генераторах необходимо использовать сдвоенный потенциометр (или конденсатор). Однако использование сдвоенных регулирующих элементов имеет определенные неудобства. В схеме рис.1.9 потенциометр R2 является одним из элементов моста Вина и его регулировка изменяет частоту генерации в соответствии с выражением
Одновременно R2 является входным резистором инвертирующего усилителя на DA1, который формирует сигнал отрицательной обратной связи Uа на вход операционного усилителя DA2.Например, при уменьшении R2 увеличивается частота колебаний и одновременно уменьшается сигнал положительной обратной связи Uв на неинвертирующем входе DA2.
Рисунок 1.9 – Схема регулировки частоты генератора
Однако уменьшение R2 приводит к увеличению коэффициента усиления DA1 ( K= — R1 / R2), а значит и к увеличению сигнала отрицательной обратной связи Uа, т.е. суммарное усиление по цепям положительной и отрицательной обратной связи остается равным единице при всех изменениях сопротивления R2. Cтабилитрон VD играет роль АРУ , обеспечивая неизменную амплитуду Uвых при изменении частоты в пределах декады.
генератор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Lc-генератор
Cтраница 1
Широкодиапазонные LC-генераторы используются, главным образом для получения частот от 50 кГц и выше. При более изких частотах возникают трудности при изготовлении элементов колебательного контура — больших значений индуктивностей катушек и емкостей конденсаторов, особенно переменных. Поэтому на частотах звукового диапазона LС — генераторы изготавливаются лишь на одну или несколько фиксированных частот. Для получения широкодиапазонных генераторов в диапазоне низких ( звуковых) частот в качестве возбудителей основных колебаний применяют генераторы типа RC либо генераторы на биениях. [2]
LC-генераторов во многих случаях недостаточна. [4]
Почему LC-генераторы нецелесообразно использовать на низких частотах. [5]
Однако LC-генераторы всех типов находят ограниченное применение в измерительной технике, так как частота их трудно перестраивается в широких пределах, а иа низких частотах, требуются слишком большие величины индуктивностей и емкостей. [7]
Для LC-генераторов характерно то, что в них цепи обратной связи составлены из индуктивности L и емкости С, образующих резонансный контур, у которого зависимость ( J ( о) имеет вид узкой резонансной кривой. [9]
Теория двухконтурных LC-генераторов ( рис 20) детально рассмотрена в работах [45, 118], ниже приводятся основные результаты, существенные для построения систем ближней телеметрии. [11]
Существует много различных LC-генераторов, отличающихся способами включения колебательного контура и подачи обратной связи. [13]
К LC-генераторам относятся и генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. [15]
Страницы: 1 2 3 4 5
Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний.
RC генераторы синусоидальных колебаний.
RC генераторы используют для задания частоты резисивно — емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.
Частота генератора рассчитывается по формуле.
R в этой формуле — значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые). C — это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)
Генератор на основе моста Вина – двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.
Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше.
Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 — примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.
Где C — номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления — R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно — 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний
в больших пределах.
Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы различной емкости, в качестве С1, С2 и С3. Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности — для настройки различных усилительных каскадов.
Генераторы несинусоидальных колебаний.
Генераторы несинусоидальных колебаний применятся для создания периодических электрических сигналов произвольной формы – прямоугольной, пилообразной или треугольной формы.
Блокинг – генератор.
Пока конденсатор заряжен — транзистор закрыт. Но конденсатор постепенно
разряжается через резистор и запирающее напряжение исчезает.
Транзистор начинает приоткрываться — появляется ток в цепи обмотки трансформатора, соответственно на вторичной обмотке возникает
напряжение способствуещее лавинообразному открыванию транзистора.
Транзистор переходит в режим насыщения — конденсатор заряжается
через переход эмиттер – база, напряжение в вторичной обмотке падает до нуля.
Транзистор запирается, после чего процесс повторяется снова и снова.
Очень часто, схему блокинг — генератора используют в различных устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный. Это — различные импульсные блоки питания, вариации которых встречаются в современной аппаратуре очень широко. Преобразователи постоянного тока в переменный, с повышением выходного напряжения — являются основой целого ряда устройств, разной степени полезности — от портативного мегаомметра, до карманного электрошокера.
Мультивибратор.
Мультивибратор — генератор импульсов формы близкой к прямоугольной. Его основу составляют два усилительных каскада связанных между собой так, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого. Получается, что они по очереди запирают друг друга. Частота зависит от емкости конденсаторов, и величины сопротивления резисторов, через которые осуществляется их разряд.
Мультивибратор можно легко собрать, используя широко распостраненные детали, на абсолютно любых биполярных транзисторах. Кроме основной частоты рассчитываемой по формуле:
мультивибратор вырабатывает большое количество дополнительных гармоник. Если применив высокочастотные транзисторы собрать мультивибратор с основной частотой в звуковой области(лучше около 1000 гц), то частоты высших гармоник оказываются в какой то степени, промодулированными на этой, основной частоте. Получается, что подобный генератор может использоваться как универсальный пробник, для проверки как радиочастотных усилительных трактов, так и каскадов усиления низкой(звуковой) частоты.
На главную страницу
LC-генераторы с индуктивной связью . Шпионские штучки [Секреты тайной радиосвязи]
Отличительной особенностью LC-генераторов с индуктивной связью, отраженной в их названии, является цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает индуктивную связь между входом и выходом активного элемента. Схемотехнические решения таких генераторов высокочастотных колебаний, хотя и редко, но применяются в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках и радиомикрофонов.
Первый LC-генератор с индуктивной обратной связью создал немецкий изобретатель Александр Мейсснер (Alexander Meissner) в 1913 году. В его ламповой конструкции для обеспечения положительной обратной связи использовались две катушки с встречным включением обмоток (так называемое трансформаторное включение). Поэтому в специализированной литературе для обозначения такого схемотехнического решения часто используются названия «схема Мейсснера» или «схема с трансформаторной индуктивной связью». В генераторе по схеме Мейсснера резонансный контур подключен к цепи управляющей сетки лампы, включенной по схеме с общим катодом. Конечно же, за прошедшие годы данное схемотехническое решение неоднократно усовершенствовалось, в том числе и вследствие появления и применения новой элементной базы. Тем не менее, схемы транзисторных LC-генераторов с индуктивной обратной связью, по-прежнему называются схемами Мейсснера.
В высокочастотных генераторах миниатюрных радиопередатчиков широкое распространение получило схемотехническое решение, в котором резонансный контур включен в цепь коллектора транзистора активного элемента. Принципиальная схема простого LC-генератора с индуктивной положительной обратной связью, выполненного на биполярном транзисторе по схеме Мейсснера, приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Принципиальная схема простого LC–Cгенератора с индуктивной обратной связью (вариант 1)
В данной схеме при включении питания в коллекторной цепи транзистора VT1 начинает протекать ток, инициирующий возникновение свободных колебаний в параллельном резонансном контуре, образованном конденсатором С1 и катушкой L1. Частота этих колебаний определяется параметрами элементов контура. С катушкой L1 индуктивно связана катушка L2, входящая в состав цепи положительной обратной связи. За счет контурного тока вокруг катушки L1 формируется переменное магнитное поле, под действием которого в катушке связи L2 возникает ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку база-эмиттер транзистора VT1. Напряжение смещения на базу транзистора подается через резистор R1.
Катушка связи L2 включена таким образом, что фаза сигнала, подаваемого на базу транзистора VT1, отличается на 180є от фазы сигнала, формируемого на его коллекторе. В результате сигнал, поступающий базу транзистора через цепь обратной связи, оказывается в фазе с исходным сигналом, то есть выполняется условие баланса фаз, необходимое для возникновения устойчивой генерации.
ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку база-эмиттер транзистора VT1, инициирует соответствующие изменения коллекторного тока транзистора. В результате в составе коллекторного тока транзистора VT1 формируется переменная составляющая с частотой колебаний в контуре. Именно эта переменная составляющая коллекторного тока обеспечивает восполнение потерь энергии в контуре.
Колебания, возникающие при включении питания в параллельном резонансном контуре, образованном конденсатором С1 и катушкой L1, являются затухающими вследствие потерь энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний следует подать в контур колебания, совпадающие по фазе с первоначально возникшими свободными колебаниями, которые к тому же должны иметь достаточную мощность для компенсации потерь энергии в контуре, то есть необходимо выполнить условие баланса амплитуд. Такие колебания формируются активным элементом генератора (транзистор VT1) за счет усиления колебаний, подаваемых на базу транзистора через цепь положительной обратной связи, в состав которой входят катушка L2 и разделительный конденсатор С2. Для того чтобы усиленные колебания имели требуемый фазовый сдвиг и поддерживали колебания в резонансном контуре, а не заглушали их, необходимо правильно включить катушку L2. В рассматриваемой схеме переменные напряжения на базе и на коллекторе транзистора VT1 должны быть в противофазе. При соблюдении указанных условий амплитуда колебаний в резонансном контуре будет постоянной, то есть в контуре будут существовать незатухающие колебания.
В специализированной литературе и в сети Интернет можно найти большое количество конструкций, в состав которых входят транзисторные LC-генераторы с индуктивной обратной связью. Упрощенная принципиальная схема еще одного из вариантов схемотехнического решения LC-генератора с индуктивной ОС, выполненного на биполярном транзисторе, приведена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Упрощенная принципиальная схема LC-генератора с индуктивной обратной связью (вариант 2)
Как и в рассмотренном ранее схемотехническом решении, в данной конструкции селективный элемент представляет собой параллельный колебательный контур, подключенный в коллекторную цепь транзистора VT1, по постоянному и переменному току включенного по схеме с общим эмиттером. Следует отметить, что для снижения влияния транзистора на резонансный контур, подключение часто осуществляется с помощью дополнительного вывода, то есть с меньшим реактивным сопротивлением. Однако на параметры генератора это не оказывает особого влияния, за исключением глубины обратной связи.
В непосредственной индуктивной связи с катушкой L1 контура находится катушка L2, которая подключена, соответственно, в цепь базы транзистора VT1. Положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивления резистора R1, через который положительное напряжение от источника питания подается на базу транзистора.
Как уже отмечалось, одним из условий возникновения и устойчивой генерации колебаний является баланс амплитуд. В рассматриваемом схемотехническом решении принцип работы активного элемента в режиме автоматической поддержки баланса амплитуд заключается в следующем. При недостаточном уровне глубины обратной связи через транзистор VT1 протекает ток покоя, то есть транзистор работает в режиме, характерном для обычных усилителей напряжения. При увеличении глубины обратной связи каскад возбуждается, переходя в режим генерации колебаний. Как только каскад начнет работать в режиме генерирования колебаний, в катушке L2 инициируется переменное напряжение, которое выпрямляется переходом база-эмиттер транзистора VT1, как диодом. С учетом поляризации этого перехода на базе транзистора и на конденсаторе С2 формируется отрицательное постоянное напряжение. Оно имеет противоположную полярность по отношению к напряжению, подаваемому на базу транзистора VТ1 через резистор R1. В результате положение рабочей точки изменяется, что приводит в определенной степени к запиранию транзистора. Таким образом, автоматически обеспечивается режим работы, при котором коллекторный ток транзистора не превышает допустимую величину. Необходимый уровень глубины обратной связи определяется количеством витков катушки L2 и, естественно, расстоянием между катушками L1 и L2.
Для того, чтобы в рассматриваемом каскаде колебания возникли и устойчиво генерировались, между базой и коллектором транзистора Т1 должен быть соответствующий сдвиг фазы, достигающий 180°. Для выполнения этого условия катушка L2 должна быть включена соответствующим образом, то есть так, как определяют на схеме точки, указывающие начало витков. Если данное условие не будет соблюдено, то напряжение обратной связи на базе транзистора не будет иметь необходимый фазовый сдвиг (0° или 360°).
Еще один вариант схемотехнического решения LC-генератора с индуктивной обратной связью предложил американский изобретатель Ральф Хартли (Ralph Hartley) в 1915 году. В его схеме для обеспечения положительной обратной связи использовалась одна катушка, с отвода которой снималось напряжение цепи ПОС (так называемое автотрансформаторное включение). Поэтому в специализированной литературе для обозначения такого схемотехнического решения часто используются названия «схема Хартли» или «схема с автотрансформаторной индуктивной связью».
Следует признать, что схемотехнические решения высокочастотных генераторов с индуктивной связью (генератор Хартли или генератор Мейсснера), несмотря на свои достоинства (например, сравнительно большая выходная мощность) довольно редко используются при разработке миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств.
Учебное пособие по осциллятору LCи основы настройки осциллятора LC
Генераторы преобразуют вход постоянного тока (напряжение питания) в выход переменного тока (форма волны). Эта форма выходного сигнала может иметь широкий диапазон различных форм и частот и может быть сложной по форме или простой чистой синусоидальной волной в зависимости от приложения.
Генераторыиспользуются во многих единицах испытательного оборудования, генерирующего синусоидальные синусоидальные волны, сигналы прямоугольной, пилообразной или треугольной формы или просто последовательность повторяющихся импульсов переменной или постоянной ширины. LC Генераторы обычно используются в радиочастотных схемах из-за их хороших характеристик фазового шума и простоты реализации.
Генератор — это, по сути, усилитель с «положительной обратной связью» или регенеративной обратной связью (синфазной), и одна из многих проблем в конструкции электронных схем заключается в том, чтобы не допустить генерации усилителей, пытаясь заставить генераторы колебаться.
Генераторыработают, потому что они преодолевают потери в своей цепи резонатора обратной связи либо в виде конденсатора , катушки индуктивности , либо обоих в одной цепи, подавая энергию постоянного тока на требуемой частоте в этот контур резонатора.Другими словами, осциллятор — это усилитель, который использует положительную обратную связь, которая генерирует выходную частоту без использования входного сигнала.
Таким образом, генераторы представляют собой самоподдерживающиеся схемы, генерирующие периодическую форму выходного сигнала с точной частотой, и для того, чтобы любая электронная схема работала как генератор, она должна иметь следующие три характеристики.
- Некоторая форма усиления
- Положительный отзыв (регенерация)
- A Сеть обратной связи с определением частоты
Генератор имеет небольшой усилитель с обратной связью с усилением разомкнутого контура, равным или немного большим, чем один для начала колебаний, но для продолжения колебаний средний коэффициент усиления контура должен вернуться к единице.В дополнение к этим реактивным компонентам требуется усилительное устройство, такое как операционный усилитель или биполярный транзистор.
В отличие от усилителя, здесь не требуется внешнего входа переменного тока, чтобы заставить генератор работать, поскольку энергия источника постоянного тока преобразуется генератором в энергию переменного тока с необходимой частотой.
Базовая цепь обратной связи генератора
Где: β — доля обратной связи.
Коэффициент усиления осциллятора без обратной связи
Коэффициент усиления осциллятора с обратной связью
Генераторы — это схемы, которые генерируют непрерывную форму выходного напряжения на требуемой частоте со значениями индуктивностей, конденсаторов или резисторов, образующих частотно-избирательный LC резонансный контур резервуара и сеть обратной связи.Эта сеть обратной связи представляет собой схему ослабления, которая имеет коэффициент усиления менее единицы (β <1) и начинает колебания, когда Aβ> 1, которая возвращается к единице (Aβ = 1) после начала колебаний.
Частота генераторов LC регулируется с помощью настроенного или резонансного индуктивно-емкостного (LC) контура, при этом результирующая выходная частота известна как Частота колебаний . Если осцилляторы обратятся в реактивную сеть, фазовый угол обратной связи будет изменяться в зависимости от частоты, и это называется Phase-shift .
Есть в основном типы Осцилляторов
- 1. Синусоидальные генераторы — они известны как гармонические генераторы и обычно представляют собой генераторы типа «настроенная с обратной связью LC» или «RC с настроенной обратной связью», которые генерируют чисто синусоидальную форму волны постоянной амплитуды и частоты.
- 2. Несинусоидальные осцилляторы — они известны как осцилляторы релаксации и генерируют сложные несинусоидальные сигналы, которые очень быстро меняются от одного состояния стабильности к другому, например «прямоугольная волна», «треугольная волна» или «зубчатая волна». -волновые формы сигналов.
Резонанс осциллятора
Когда к цепи, состоящей из катушки индуктивности, конденсатора и резистора, подается постоянное напряжение, но с переменной частотой, реактивное сопротивление цепей конденсатор / резистор и индуктор / резистор должно изменять как амплитуду, так и фазу выходного сигнала по сравнению с входному сигналу из-за реактивного сопротивления используемых компонентов.
На высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора очень низкое, действуя как короткое замыкание, в то время как реактивное сопротивление катушки индуктивности велико, действуя как разомкнутая цепь.На низких частотах верно обратное: реактивное сопротивление конденсатора действует как разомкнутая цепь, а реактивное сопротивление катушки индуктивности действует как короткое замыкание.
Между этими двумя крайними значениями комбинация катушки индуктивности и конденсатора создает «Настроенную» или «Резонансную» схему с резонансной частотой , (r), в которой емкостное и индуктивное реактивные сопротивления равны и компенсируют друг друга, оставляя только сопротивление цепи, препятствующее прохождению тока. Это означает, что фазовый сдвиг отсутствует, поскольку ток находится в фазе с напряжением.Рассмотрим схему ниже.
Базовый контур резервуара LC осциллятора
Схема состоит из индукционной катушки L и конденсатора C. Конденсатор накапливает энергию в форме электростатического поля и создает потенциал ( статического напряжения ) на своих пластинах, в то время как индуктивная катушка накапливает свою энергию в форма электромагнитного поля. Конденсатор заряжается до напряжения питания постоянного тока V, переводя переключатель в положение A. Когда конденсатор полностью заряжен, переключатель переходит в положение B.
Заряженный конденсатор теперь подключен параллельно индуктивной катушке, поэтому конденсатор начинает разряжаться через катушку. Напряжение на C начинает падать, когда ток через катушку начинает расти.
Этот нарастающий ток создает вокруг катушки электромагнитное поле, которое препятствует этому потоку тока. Когда конденсатор C полностью разряжен, энергия, которая изначально была сохранена в конденсаторе, C в виде электростатического поля теперь сохраняется в индуктивной катушке L в виде электромагнитного поля вокруг обмоток катушек.
Поскольку теперь в цепи нет внешнего напряжения для поддержания тока внутри катушки, оно начинает падать, поскольку электромагнитное поле начинает разрушаться. В катушке индуцируется обратная ЭДС (e = -Ldi / dt), сохраняя ток, протекающий в первоначальном направлении.
Этот ток заряжает конденсатор C с полярностью, противоположной его первоначальному заряду. C продолжает заряжаться до тех пор, пока ток не упадет до нуля и электромагнитное поле катушки не исчезнет полностью.
Энергия, первоначально введенная в схему через переключатель, была возвращена конденсатору, который снова имеет потенциал электростатического напряжения на нем, хотя теперь он имеет противоположную полярность. Конденсатор снова начинает разряжаться через катушку, и весь процесс повторяется. Полярность напряжения изменяется по мере того, как энергия передается назад и вперед между конденсатором и катушкой индуктивности, создавая синусоидальное напряжение переменного тока и форму волны тока.
Этот процесс затем формирует основу контура резервуара LC-генератора, и теоретически это циклическое движение вперед и назад будет продолжаться бесконечно.Однако все не идеально, и каждый раз, когда энергия передается от конденсатора C к катушке индуктивности L и обратно от L к C, происходят некоторые потери энергии, которые со временем уменьшают колебания до нуля.
Это колебательное действие передачи энергии назад и вперед между конденсатором C и катушкой индуктивности L продолжалось бы бесконечно, если бы не потери энергии в цепи. Электрическая энергия теряется в постоянном токе или реальном сопротивлении катушки индуктивности, в диэлектрике конденсатора и в излучении контура, поэтому колебания неуклонно уменьшаются, пока они не исчезнут полностью и процесс не остановится.
Тогда в практическом LC-контуре амплитуда колебательного напряжения уменьшается на каждом полупериоде колебания и в конечном итоге затухает до нуля. В этом случае говорят, что колебания «затухают», причем степень демпфирования определяется качеством или добротностью схемы.
Затухающие колебания
Частота колебательного напряжения зависит от значения индуктивности и емкости в цепи LC-резервуара. Теперь мы знаем, что для возникновения резонанса в контуре резервуара должна быть точка частоты, в которой значение X C , емкостное реактивное сопротивление такое же, как значение X L , индуктивное реактивное сопротивление (X L = X C ), и поэтому они будут компенсировать друг друга, оставляя только сопротивление постоянному току в цепи, чтобы противодействовать прохождению тока.
Если мы теперь поместим кривую индуктивного сопротивления катушки индуктивности поверх кривой емкостного реактивного сопротивления конденсатора так, чтобы обе кривые находились на одной и той же оси частот, точка пересечения даст нам точку резонансной частоты, (ƒ r или ωr), как показано ниже.
Частота резонанса
Где: ƒ r — в герцах, L — в Генри, а C — в фарадах.
Тогда частота, с которой это будет происходить, дается как:
Затем, упрощая приведенное выше уравнение, мы получаем окончательное уравнение для резонансной частоты , r в настроенной LC-цепи как:
Резонансная частота LC-генератора
- Где:
- L — индуктивность по Генри
- C — емкость в фарадах
- ƒ r — выходная частота в герцах
Это уравнение показывает, что если L или C уменьшаются, частота увеличивается.Эта выходная частота обычно обозначается аббревиатурой ( r ), чтобы обозначить ее как «резонансную частоту».
Чтобы поддерживать колебания в контуре LC-резервуара, мы должны компенсировать всю потерянную энергию в каждом колебании, а также поддерживать амплитуду этих колебаний на постоянном уровне. Таким образом, количество замененной энергии должно быть равно энергии, потерянной во время каждого цикла.
Если заменяемая энергия слишком велика, амплитуда будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет обрезание шин питания.В качестве альтернативы, если количество заменяемой энергии слишком мало, амплитуда со временем уменьшится до нуля, и колебания прекратятся.
Самый простой способ заменить эту потерянную энергию — взять часть выходного сигнала из контура LC-резервуара, усилить его, а затем снова подать обратно в LC-контур. Этот процесс может быть достигнут с помощью усилителя напряжения, использующего операционный усилитель, полевой транзистор или биполярный транзистор в качестве активного устройства. Однако, если усиление контура усилителя обратной связи слишком мало, желаемое колебание затухает до нуля, а если оно слишком велико, форма сигнала искажается.
Для создания постоянных колебаний уровень энергии, возвращаемой в LC-сеть, должен точно контролироваться. Тогда должна быть какая-то форма автоматического управления амплитудой или усилением, когда амплитуда пытается измениться от опорного напряжения вверх или вниз.
Для поддержания стабильных колебаний общий коэффициент усиления схемы должен быть равен единице или единице. При меньшем значении колебания не начнутся или не затухнут до нуля, колебания будут возникать больше, но амплитуда будет ограничиваться шинами питания, вызывающими искажения.Рассмотрим схему ниже.
Схема LC-генератора базового транзистора
Биполярный транзистор используется в качестве усилителя LC-генераторов, а настроенная цепь LC-резервуара действует как нагрузка коллектора. Другая катушка L2 подключена между базой и эмиттером транзистора, электромагнитное поле которого «взаимно» связано с электромагнитным полем катушки L.
«Взаимная индуктивность» существует между двумя цепями, и изменяющийся ток, протекающий в одной цепи катушки, индуцирует за счет электромагнитной индукции потенциальное напряжение в другой (эффект трансформатора), так что при возникновении колебаний в настроенной цепи электромагнитная энергия передается от катушка L к катушке L2, и между базой и эмиттером транзистора прикладывается напряжение той же частоты, что и в настроенной цепи.Таким образом, на усилительный транзистор подается необходимое напряжение автоматической обратной связи.
Величина обратной связи может быть увеличена или уменьшена путем изменения связи между двумя катушками L и L2. Когда цепь колеблется, ее полное сопротивление является резистивным, а напряжения коллектора и базы не совпадают по фазе на 180, — . Для поддержания колебаний (так называемой стабильности частоты) напряжение, приложенное к настроенному контуру, должно быть «синфазным» с колебаниями, возникающими в настроенном контуре.
Следовательно, мы должны ввести дополнительный фазовый сдвиг 180 o в цепь обратной связи между коллектором и базой. Это достигается путем наматывания катушки L2 в правильном направлении относительно катушки L, что дает нам правильные амплитудно-фазовые отношения для схемы Oscillators , или путем подключения схемы фазового сдвига между выходом и входом усилителя.
Осциллятор LC , следовательно, является «синусоидальным осциллятором» или «гармоническим осциллятором», как его чаще называют.Генераторы LC могут генерировать высокочастотные синусоидальные волны для использования в приложениях радиочастотного (RF) типа с транзисторным усилителем, являющимся биполярным транзистором или полевым транзистором.
Гармонические генераторыбывают разных форм, потому что существует множество различных способов построения сети LC-фильтров и усилителя, наиболее распространенными из которых являются: Hartley LC Oscillator , Colpitts LC Oscillator , Armstrong Oscillator и Clapp Oscillator to назовите несколько.
LC Осциллятор Пример №1
Индуктивность 200 мГн и конденсатор 10 пФ соединены параллельно, чтобы создать цепь резервуара LC-генератора. Рассчитайте частоту колебаний.
Тогда мы можем видеть из приведенного выше примера, что, уменьшая значение емкости C или индуктивности, L будет иметь эффект увеличения частоты колебаний контура LC-резервуара.
Обзор генераторов LC
Основные условия, необходимые для резонансного контура резонансного генератора LC , приведены ниже.
- Для существования колебаний схема генератора ДОЛЖНА содержать реактивный (зависящий от частоты) компонент либо «индуктор» (L), либо «конденсатор» (C), а также источник питания постоянного тока.
- В простом контуре индуктивность-конденсатор, LC, колебания со временем затухают из-за потерь в компонентах и контурах.
- Для преодоления этих потерь в цепи и обеспечения положительного усиления требуется усиление напряжения.
- Общий коэффициент усиления усилителя должен быть больше единицы.
- Колебания можно поддерживать, возвращая часть выходного напряжения в настроенную схему, которая имеет правильную амплитуду и синфазно (0 o ).
- Колебания могут возникать только при положительной обратной связи (самовосстановление).
- Общий фазовый сдвиг схемы должен быть равен нулю или равен 360 o , чтобы выходной сигнал из сети обратной связи был «синфазен» с входным сигналом.
В следующем уроке об осцилляторах мы рассмотрим работу одной из наиболее распространенных схем LC-генератора, в которой две катушки индуктивности используются для формирования центральной индуктивности с отводом внутри резонансного резервуара.Этот тип схемы LC-генератора широко известен как осциллятор Хартли.
Цепь, типы, производные и их применение
Генератор — это электронная схема, используемая для преобразования входного постоянного тока в выходной переменный ток. Он может иметь широкий диапазон форм сигналов с разными частотами в зависимости от приложения. Генераторы используются в нескольких приложениях , например, в испытательном оборудовании, которое генерирует любые из этих сигналов, такие как синусоидальные, пилообразные, прямоугольные, треугольные.LC-генератор обычно используется в радиочастотных схемах из-за их качественных характеристик фазового шума, а также простоты реализации. По сути, осциллятор — это усилитель с положительной или отрицательной обратной связью. В конструкции электронных схем основная проблема состоит в том, чтобы не допустить генерации усилителя при попытке заставить генераторы колебаться. В этой статье обсуждается обзор LC-генератора и схемы , работающей на .
Что такое LC-осциллятор?
В основном, генератор использует положительную обратную связь и генерирует частоту o / p без использования входного сигнала.Таким образом, это самоподдерживающиеся схемы, которые генерируют периодическую форму сигнала o / p с точной частотой. Генератор LC — это разновидность генератора, в котором контур резервуара (LC) используется для обеспечения необходимой положительной обратной связи для поддержания колебаний.
LC-осциллятор и его символЭтот контур также называется LC-настроенным или LC-резонансным контуром. Эти генераторы можно понять с помощью полевого транзистора, биполярного транзистора, операционного усилителя, полевого МОП-транзистора и т. Д. Применения генераторов LC в основном включают смесители частот, генераторы радиочастотных сигналов, тюнеры, радиочастотные модуляторы, генераторы синусоидальных волн и т. Д.Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о разнице между конденсатором и индуктором
. Принципиальная схема генератора LCLC-цепь — это электрическая цепь, которая может быть построена с катушкой индуктивности и конденсатором, где катушка индуктивности обозначается буквой «L», а конденсатор обозначается буквой «C», оба соединены в одной цепи. Схема работает как электрический резонатор, который накапливает энергию для колебаний на резонансной частоте контура.
LC-осциллятор-схемаЭти схемы используются либо для выбора сигнала с определенной частотой через составной сигнал, либо для генерации сигналов с определенной частотой.Эти схемы работают как основные компоненты в различных электронных устройствах, таких как радиоаппаратура, такие схемы, как фильтры, тюнеры и генераторы. Эта схема представляет собой идеальную модель, которая воображает, что рассеивание энергии не происходит из-за сопротивления. Основная функция этой схемы — колебаться с наименьшим демпфированием, чтобы сделать сопротивление минимально возможным.
Вывод осциллятора LC
Когда на схему генератора подается стабильное напряжение с изменяющейся во времени частотой, после этого также изменяется реактивное сопротивление RL, а также RC.Следовательно, частота и амплитуда o / p могут быть изменены по сравнению с i / p-сигналом.
Индуктивное реактивное сопротивление и частота могут быть прямо пропорциональны друг другу, в то время как частота и емкостное реактивное сопротивление могут быть обратно пропорциональны друг другу. Таким образом, на меньших частотах емкостное реактивное сопротивление катушки индуктивности чрезвычайно мало, работает как короткое замыкание, в то время как емкостное реактивное сопротивление выше и работает как разомкнутая цепь.
На более высоких частотах произойдет обратное i.е. емкостное реактивное сопротивление действует как короткое замыкание, а индуктивное реактивное сопротивление действует как разомкнутая цепь. Цепь при определенной комбинации катушки индуктивности и конденсатора будет настроена, или резонансная частота при обоих реактивных сопротивлениях, емкостном и индуктивном, одинакова и остановится друг с другом.
Следовательно, внутри цепи будет просто сопротивление для противодействия протеканию тока, и, таким образом, напряжение не сможет создать ток генератора с фазовым сдвигом LC с помощью резонансного контура.Таким образом, потоки тока и напряжения будут синфазны друг с другом.
Продолжительные колебания могут быть достигнуты путем подачи напряжения на такие компоненты, как катушка индуктивности и конденсатор. В результате LC-генератор использует LC или контур резервуара для генерации колебаний.
Частота колебаний может создаваться контуром резервуара, который полностью зависит от индуктивности, номиналов конденсаторов и их состояния резонанса. Это можно выразить с помощью следующей формулы.
XL = 2 * π * f * L
XC = 1 / (2 * π * f * C)
Мы знаем, что в резонансе XL равно XC. Таким образом, уравнение примет следующий вид.
2 * π * f * L = 1 / (2 * π * f * C)
После того, как уравнение можно сократить, уравнение для частоты генератора LC включает следующее.
f2 = 1 / ((2π) * 2 ЖК)
f = 1 / (2π √ (LC))
Типы LC-генераторов
ГенераторLC подразделяется на различные типы, в том числе следующие.
Настроенный коллекторный осциллятор
Этот генератор является основным типом LC-генератора. Эта схема может быть построена с конденсатором и трансформатором путем параллельного подключения через коллекторную цепь генератора. Цепь бака может быть образована конденсатором и сетью трансформатора. Второстепенная часть трансформатора передает на базу транзистора часть колебаний, генерируемых в контуре резервуара. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о Tuned Collector Oscillator
.Настроенный базовый осциллятор
Это один из видов генераторов на LC-транзисторах, где эта схема расположена между двумя выводами транзистора, такими как земля и база.Настроенная схема может быть сформирована с помощью конденсатора и основной катушки трансформатора. Младшая катушка трансформатора используется в качестве обратной связи.
Осциллятор Хартли
Это разновидность LC-генератора там, где цепь резервуара включает один конденсатор и две индуктивности. Конденсатор подключается параллельно, а катушки индуктивности подключаются последовательно в комбинации. Этот генератор был придуман Ральфом Хартли в 1915 году. Он американский ученый. Типичный диапазон рабочих частот генератора Хартли составляет от 20 кГц до 20 МГц.Его можно распознать с помощью полевых транзисторов, биполярных транзисторов или операционных усилителей. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о Hartley Oscillator
.Осциллятор Колпитца
Это еще один вид генератора, в котором можно построить резервуарный контур с одним индуктором и двумя конденсаторами. Эти конденсаторы могут быть подключены последовательно, а катушка индуктивности может быть подключена параллельно к последовательной комбинации конденсаторов.
Этот генератор был изобретен учеными Эдвином Колпиттсом в 1918 году.Диапазон рабочих частот этого генератора составляет от 20 кГц до МГц. Этот генератор обладает превосходной частотой по сравнению с генератором Хартли. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о Colpitts Oscillator
.Осциллятор Клаппа
Этот генератор является переделкой генератора Колпитца. В этом генераторе дополнительный конденсатор может быть подключен последовательно к катушке индуктивности в цепи резервуара. Этот конденсатор можно сделать неравномерным в приложениях с переменной частотой.Этот дополнительный конденсатор отделяет оставшиеся два конденсатора от влияния параметров транзистора, таких как емкость перехода, а также увеличивает силу частоты.
Приложения
Эти генераторы широко используются для генерации высокочастотных сигналов; поэтому они также называются ВЧ-генераторами. Используя практические значения конденсаторов и катушек индуктивности, можно получить более высокий диапазон частот, например> 500 МГц.
Применение LC-генераторов в основном включает в себя радио, телевидение, высокочастотный нагрев, генераторы RF и т. Д.В этом генераторе используется контур резервуара, который включает конденсатор «C» и катушку индуктивности «L».
Разница между генератором LC и RC
Мы знаем, что RC-сеть предлагает регенеративную обратную связь и определяет работу частоты в RC-генераторах. Каждый генератор, который мы обсуждали выше, использует резонансный контур LC-резервуара. Мы знаем, как эта резервуарная схема хранит энергию в компонентах, используемых в цепи, таких как конденсатор и индуктор.
Основное различие между LC- и RC-цепями состоит в том, что устройство определения частоты в RC-генераторе не является LC-цепью.Учтите, что работа генератора LC может быть выполнена с использованием смещения, например класса A, в противном случае — класса C из-за действия генератора в резонансном резервуаре. Генератор RC должен использовать смещение класса A, поскольку устройство определения частоты RC не содержит возможности колебания контура резервуара.
Таким образом, это все примерно , что такое LC Oscillation и девиация с использованием схемы. Вот вам вопрос, каковы преимущества LC Circuit?
Работа осциллятораLC и детали принципиальной схемы
В этом посте мы собираемся понять, как функционируют схемы генератора LC, и построим один из популярных генераторов на основе LC — осциллятор Колпитца.
Что такое генераторы
Электронные генераторы используются в большинстве наших повседневных электронных устройств, от цифровых часов до высокопроизводительных процессоров Core i7. Осцилляторы являются сердцем всех цифровых схем, но не только генераторы цифровых схем, но и аналоговые схемы используют колебательные схемы.
Для мгновенного AM, FM радио, где высокочастотные колебания используются в качестве несущего сигнала для передачи сигнала сообщения.
Существует много разных типов генераторов, таких как RC, LC, кварцевые и т. Д.У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Таким образом, нет ничего, что можно было бы назвать лучшим или идеальным генератором, мы должны проанализировать обстоятельства нашей схемы и выбрать лучший, который подходит, поэтому мы находим широкий спектр генераторов в повседневно используемых гаджетах.
LC-осцилляторы
Давайте углубимся в объяснение LC-осциллятора.
Генератор LC состоит из катушки индуктивности и конденсатора, как показано на рисунке ниже.
Емкость конденсатора и резистора определяет колебания на выходе.Так как же они генерируют колебания?
Что ж, нам нужно приложить внешнюю энергию между L и C, то есть напряжение. Когда мы подаем напряжение, конденсатор заряжается. Когда питание отключено, накопленная энергия от конденсатора течет к катушке индуктивности, и катушка индуктивности начинает создавать вокруг нее магнитное поле, пока конденсатор полностью не разрядится.
Когда конденсатор полностью разряжен, магнитное поле вокруг катушки индуктивности разрушается, индуцирует напряжение и заряжает конденсатор с противоположной полярностью, и цикл повторяется.
Заряд и разряд между L и C вызывают колебания, которые называются резонансной частотой. Однако генерация частоты не будет длиться вечно из-за паразитного сопротивления, которое рассеивает энергию в колебательном контуре в виде тепла.
Для поддержания колебаний и использования колебаний с разумной выходной мощностью нам нужен усилитель с нулевым фазовым сдвигом и обратной связью.
Обратная связь передает небольшой выходной сигнал усилителя обратно в LC-сеть, чтобы компенсировать потери из-за паразитного сопротивления и поддерживать колебания.Таким образом, мы можем генерировать устойчивый синусоидальный сигнал на выходе.
Схема приложения:
Вот схема генератора Колпитца, которая может генерировать сигнал около 30 МГц.
Для поддержания колебаний в схемах транзисторных LC-резонансных кварцевых генераторов важна пара факторов. Во-первых, напряжение обратной связи, поступающее от коллектора транзистора, должно совпадать по фазе с фактическим входным напряжением возбуждения, которое первоначально прикладывается к базе транзистора. Другими словами, обратная связь в цепи должна быть положительной или регенеративной по своей природе.
Во-вторых, количество энергии обратной связи в базовой сети должно быть достаточно большим, чтобы компенсировать потери энергии, возникающие в базовой цепи. Прежде чем говорить о работе осциллятора, может потребоваться оценить теорию Q. Q описывается как величина калибра в резонансном контуре. Эквивалент реактивного сопротивления, деленного на сопротивление, коэффициент добротности символизирует способность схемы поддерживать колебания с использованием минимальной обратной связи. Короче говоря, чем больше добротность, тем выше эффективность резонансного каскада цепи.Собственная добротность кварца может составлять 10 миллионов на частоте 1 МГц. Даже несмотря на то, что величина Q для присоединенного резонаторного кристалла уменьшена до диапазонов от 20 000 до более чем миллиона, она все еще намного превосходит цифры, которые намного превосходят верхний резонатор LC или контур резервуара LC.
LC-генератор с кварцевым резонатором
Чрезвычайно большая добротность кварцевого генератора существенно сводит к минимуму дрейф частоты, вызванный температурой и колебаниями постоянного напряжения. Кроме того, генераторы с кварцевым управлением генерируют меньшее количество шума по сравнению с традиционными схемами генераторов на основе LC-резервуара и, следовательно, производят более здоровый выходной сигнал.Самый простой кварцевый генератор состоит из одного биполярного транзистора с использованием базовой цепи обратной связи.
На рисунке 1-а показана блок-схема универсального кварцевого генератора. В этой концепции можно увидеть усилитель на основе NPN BJT, сконфигурированный с тремя цепями обратной связи. Предполагается, что подходящее смещение постоянного тока присутствует, но не показано на диаграмме. Рисунок 1-b представляет собой сравнительную схему, построенную с использованием частей L1, C1 и C2, как показано. Каждая схема кварцевого генератора, обсуждаемая ниже, предназначена для работы с одной и той же основной топологией с использованием как минимум двух конденсаторов и катушки индуктивности.Кристалл можно рассматривать как элемент цепи обратной связи.
Конденсаторы C1 и C2 состоят из остаточного транзистора и емкости перехода. Конденсатор С2 похож на параллельную цепь катушки индуктивности и конденсатора. Эта пара LC работает как третий селектор обертона кристалла, поскольку проявляет емкостный характер только на частоте обертона кристалла и индуктивные свойства на его основной частоте. Следовательно, катушка индуктивности, расположенная на C2, подавляет колебания на основной частоте кристалла.Наряду с усилением и обратной связью схема генератора дополнительно нуждается в ограничивающем множителе, который возникает, когда рост входного сигнала больше не приводит к увеличению выходного сигнала. Из-за этого выход осциллятора достигает границы и продолжает находиться в этой границе.
Типичный кварцевый генератор Колпитца обладает строгими характеристиками нагрузки и настройки, в то время как пара полуизолированных моделей гораздо менее требовательны и предлагаются как гораздо лучшие варианты для приложений общего назначения.Если вы ищете очень точную выходную частоту, вам следует выбрать кварцевый генератор Пирса. С другой стороны, если вы просто хотите попробовать что-то с осцилляторами, вы можете понять, что схема Батлера может колебаться вне зависимости от кристалла, и вы можете проверить результаты, используя вход или выход кристалла.
Генераторы Генерала Колпитца
В этой статье представлены несколько разновидностей генератора Колпитца с кварцевым управлением: стандартный и полуизолированный.Стандартная схема, показанная на рис. 2, зависит от характеристик кристалла и сопротивления нагрузки. Кроме того, его выходная мощность ограничена менее чем 50% рассеиваемой мощности кристалла. Однако пока он считается одним из фаворитов.
Обратите внимание, что , с основным кристаллом, мы получаем частоты от 1 МГц до 30 МГц, и мы получаем частоты от 35 до 60 МГц, когда используется кристалл третьего обертона. Значения C2, C4 и C5 должны быть в пикофарадах, а значения L1 должны быть в микрогенри .Резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают смещение постоянного тока на транзистор Q1. Потенциометр R2 используется для включения эмиттерного тока до 1,5 миллиампер. Конденсаторы C3, C4 и C6 работают как элементы обхода радиочастоты на рабочей частоте XTAL1 (основной или обертонной).
Конденсатор C2 работает как основная цепь обратной связи, эквивалентная конденсатору C1, как показано на рисунке 1. Когда схема работает на рабочей частоте XTAL1, L1 и C5 демонстрируют суммарное емкостное реактивное сопротивление и, следовательно, функционируют как конденсатор обратной связи коллекторной цепи, как и C2 на Рисунке 1.
Когда используются кристаллы обертонов, L1 и C5 ведут себя так же, как селектор обертонов, блокируя колебания на основной частоте кристалла. Конденсатор C1, который представляет собой регулируемый подстроечный резистор, настраивает компонент обратной связи L1. По мере уменьшения значения C1 выходная частота генератора увеличивается.
Простая схема RC-генератора
Генератор также может быть построен с использованием только резистора, конденсаторной цепи и транзистора. Здесь вывод базы транзистора остается неподключенным, используются только эмиттер и коллектор.
Полную принципиальную схему этого RC-генератора можно увидеть на следующем изображении:
Простой ВЧ-генератор LC
Схема, представленная на следующем рисунке, представляет собой простой ВЧ-генератор LC, который может нормально работать в диапазоне от 100 кГц до 50 МГц или выше. . Транзистор TR1 сконфигурирован как повторитель истока, а крошечная связь через обмотку индуктора T1 реализована для создания положительной обратной связи и для повышения напряжения, необходимого для поддержания колебаний.
Первичная обмотка Т1 вместе с С3 образуют настроенный LC-контур. Это устанавливает рабочую частоту контура LC-генератора. R1 работает как нагрузка источника для TR1 при подаваемом постоянном токе, однако TR1 обходится переменным током через C2, в результате чего обмотка связи T1 формирует реальную нагрузку источника для Tr1.
Выходной сигнал генератора поступает через источник TR1 через блокирующий конденсатор постоянного тока C1. Конденсатор C4 просто работает как конденсатор развязки питания.В случае, если ожидается регулируемый настраиваемый генератор, C3 можно легко заменить конденсатором переменной емкости или сочетанием фиксированных и переменных конденсаторов, чтобы обеспечить требуемый диапазон настройки.
Для генераторов LC средней и высокой частоты многие любители в настоящее время используют готовые катушки, и они обычно предлагают улучшенные и гораздо более предсказуемые частотные выходы, чем базовые катушки с домашней обмоткой.
Чтобы построить T1 дома, просто намотайте два набора катушек (6 к 1 и 8 к 9) друг над другом на небольшой ферритовый стержень.Количество витков можно поэкспериментировать для получения выходных сигналов различной частоты.
Главное помнить, что фазировка меньшей обмотки связи должна быть правильно подключена, иначе цепь не будет колебаться. Однако лучший способ подключения меньшей катушки может быть реализован только путем проб и ошибок.
Основы генерации LC-генератора
LC-генераторы широко используются для генерации высокочастотных волн, поэтому их также называют ВЧ-генераторами.Можно получить частоты в более высоком диапазоне (выше 500 МГц) с практическими значениями катушек индуктивности и конденсаторов.
Эти типы генераторов используются в ВЧ-генераторах, высокочастотном нагревателе, радио- и ТВ-приемниках и т. Д. В этих генераторах используется баковая цепь, состоящая из элементов индуктивности L и конденсатора C. Прежде чем обсуждать схему LC-генератора и его работу, давайте обсудим основные принципы работы схемы LC-генератора.
LC Контур резервуара
Резервуар или колебательный контур представляет собой параллельную форму индуктора и конденсатора, которая производит электрические колебания любой желаемой частоты.Оба эти элемента способны накапливать энергию. Всякий раз, когда на пластинах конденсатора существует разность потенциалов, он накапливает энергию в своем электрическом поле.
Точно так же, когда ток течет через индуктор, энергия накапливается в его магнитном поле. На рисунке ниже показана баковая цепь, в которой индуктор L и конденсатор C подключены параллельно.
Работа контура резервуара LC
Давайте разберемся с концепцией электрических колебаний, производимых этой схемой.Учтите, что конденсатор изначально заряжен источником постоянного тока, имеющим положительную полярность верхней пластины и отрицательную нижнюю пластину, как показано ниже.
Это означает, что верхняя пластина имеет недостаток электронов, тогда как нижняя пластина имеет избыток электронов. Следовательно, между этими двумя пластинами существует потенциальная разница.
- Считайте, что этот заряженный конденсатор подключен к катушке индуктивности через переключатель S, как показано на рисунке. Когда переключатель S замкнут, обычный ток или электроны перемещаются от пластины A к B через катушку индуктивности.Следовательно, запасенная энергия или напряженность электрического поля в конденсаторе уменьшается.
- Ток, протекающий через катушку индуктивности, индуцирует ЭДС, которая препятствует прохождению через нее электронов. Этот поток тока создает магнитное поле вокруг индуктора, таким образом, он начинает накапливать магнитную энергию. Когда конденсатор полностью разряжен, ток или поток электронов через катушку становятся равными нулю. В это время магнитное поле имеет максимальное значение, а электрическое поле отсутствует.
- Когда конденсатор полностью разряжен, магнитное поле вокруг катушки индуктивности начинает разрушаться, создавая противоэдс. Согласно закону Ленца, эта противоэдс создает ток, который начинает заряжать конденсатор с противоположной полярностью, делая верхнюю пластину отрицательной, а нижнюю — положительной, как показано на рисунке ниже.
- Когда конденсатор полностью заряжен в противоположном направлении, вся магнитная энергия преобразуется обратно в электрическую энергию в конденсаторе, т.е.е., магнитная энергия коллапсирует. В этот момент конденсатор начинает разряжаться в противоположном направлении, как показано на рисунке. Еще раз конденсатор полностью разряжен, и этот процесс будет продолжен.
- Этот непрерывный процесс зарядки и разрядки приводит к переменному движению электронов, которое представляет собой не что иное, как колебательный ток. Но эти колебания конденсатора затухают, потому что каждый раз передача энергии от L к C и от C к L рассеивает энергию в виде тепла в сопротивлении катушки и в соединительных проводах в виде электромагнитного излучения.Эти потери постепенно уменьшают амплитуду колебательного тока, пока он не прекратится. Их называют экспоненциально затухающими колебаниями или затухающими колебаниями.
Частота LC-генератора
Концепция резонанса
Если цепь с конденсатором, катушкой индуктивности и резистором возбуждается постоянным напряжением с изменяющейся во времени частотой, то реактивное сопротивление индуктора-резистора RL и конденсатора-резистора RC равно тоже разные. Таким образом, амплитуда и частота выходного сигнала изменяются по сравнению с входным сигналом.
Индуктивное реактивное сопротивление прямо пропорционально частоте, а емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте. Следовательно, на более низких частотах емкостное реактивное сопротивление катушки индуктивности очень низкое и действует как короткое замыкание, тогда как емкостное реактивное сопротивление велико и действует как разомкнутая цепь.
На более высоких частотах произойдет обратное, т.е. емкостное реактивное сопротивление действует как короткое замыкание, а индуктивное реактивное сопротивление действует как разомкнутая цепь.
При определенной комбинации конденсатора и катушки индуктивности этот контур становится резонансным или настроенным контуром, который имеет резонансную частоту, при которой как индуктивное, так и емкостное сопротивления идентичны и взаимно компенсируются.
Следовательно, в цепи будет только сопротивление, препятствующее прохождению тока, и, следовательно, не будет тока фазового сдвига от напряжения при использовании резонансной цепи. Ток синфазен с напряжением.
Устойчивые колебания могут быть получены путем подачи энергии на компоненты L и C. Следовательно, LC-генераторы используют этот контур резервуара для создания колебаний.
Частота колебаний, генерируемых этим контуром резервуара, полностью зависит от номиналов конденсатора и катушки индуктивности и их состояния резонанса.Его можно выразить как
XL = 2π f L
XC = 1 / (2π f C)
В резонансе XL = XC
2π f L = 1 / (2π f C)
f2 = 1 / ((2π) 2 LC)
f = 1 / (2π √ (LC))
Базовая форма схемы LC-генератора
В этом генераторе, усилителе и сети LC-фильтров можно построить несколько способов. Таким образом, эти осцилляторы бывают разных форм, таких как осцилляторы Хартли, осцилляторы Армстронга, осцилляторы Колпитца, осцилляторы Клаппа и т. Д.Прежде чем мы будем обсуждать все эти генераторы в следующих статьях, давайте узнаем некоторые основы работы схемы LC-генератора.
Как упоминалось выше, LC-генератор состоит из усилителя и настроенной LC-цепи в качестве цепи обратной связи. Для схемы LC-генератора каскад усилителя может быть построен с использованием активных устройств, таких как операционный усилитель, биполярный транзистор или полевой транзистор.
Основная форма генератора показана ниже с усилением A. Схема обратной связи состоит из импедансов Z1, Z2 и Z3, которые могут быть емкостными или индуктивными.Эта сеть обратной связи поставляется с выходом усилителя.
Схема усилителя обеспечивает фазовый сдвиг на 180 градусов, в то время как дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов обеспечивается цепью обратной связи для удовлетворения условий колебаний. Рассмотрим эквивалентную схему LC-генератора, в которой Ro — выходное сопротивление усилителя, а ZL — полное сопротивление нагрузки, подключенной к выходу усилителя.
Общее выражение усиления усилителя для вышеуказанной схемы с нагрузкой (AL) и без учета обратной связи дается выражением
AL = — A ZL / (Ro + ZL)
Знак минус указывает на сдвиг фазы на 180 °. каскад усилителя.
С учетом обратной связи коэффициент усиления сети обратной связи определяется как
β = Z1 / (Z1 + Z3)
Но эта сеть обратной связи должна вводить сдвиг фазы на 180 отклонений, а затем
β = — Z1 / (Z1 + Z3)
Чтобы удовлетворить условию колебаний Баркгаузена, — Aβ должно быть равно 1, тогда
A β = — A ZL Z1 / (Ro + ZL) × (Z1 + Z3)
Это требуемое выражение для усиления контура.
Теперь, сопротивление нагрузки ZL = Z2 (Z1 + Z3) / (Z1 + Z2 + Z3)
Решая выражение для коэффициента усиления контура с ZL, мы получаем
A β = — A Z1 Z2 / (Ro (Z1 + Z2 + Z3) + Z2 (Z1 + Z3))
Подставляя Z1 = j X1, Z2 = j X2 и Z3 = j X3
A β = A X1 X2 / (jRo (X1 + X2 + X3) — X2 ( X1 + X3))
Чтобы получить фазовый сдвиг на 180 с помощью этой цепи обратной связи, мнимая часть знаменателя должна быть равна нулю, т.е.е.,
(X1 + X2 + X3) = 0 это означает, что –X2 = X1 + X3
Тогда уравнение принимает вид
A β = A X1 / (X1 + X3)
A β = — A (X1 / X2)
Но условие Баркгаузена — Aβ = 1. Тогда
A (X1 / X2) = 1
Это означает, что X1 и X2 должны быть индуктивными или емкостными (аналогичный тип реактивного сопротивления) и условие для колебаний получается как
A = (X2 / X1)
Для генератора Хартли и X2, и X1 являются индукторами, тогда как для генераторов Колпитта оба являются конденсаторами.А также –X3 = X1 + X2, таким образом, X3 — это конденсатор в генераторе Хартли и катушка индуктивности в генераторе Колпитца.
Пример
Определите значение индуктивности, необходимое с конденсатором 47 пФ для настроенной частоты LC-генератора 22,7 МГц.
Резонансная частота генератора LC составляет
f 2 = 1 / ((2π √ (LC)) 2
L = 1 / (4π 2 f 2 C)
L = 1 / (4π 2 (22,7 × 106) 2 × 47 × 10 -12 )
L = 1.04micro Henry
Generac 6242 17/16 кВт резервный генератор с воздушным охлаждением, стальной корпус, 16 контуров LC
Обеспечивает необходимую защиту электропитания для вашего дома, гарантируя, что все необходимое будет оставаться под напряжением во время сбоя или охватить весь дом при сопряжении с одно из устройств отключения нагрузки Generac. Способен поддерживать пятитонный кондиционер.
Двигатель Generac OHVI®
Генератору серии Guardian, возможно, придется проработать дни — или недели — без электроснабжения.Его двигатель OHVI®, специально разработанный для использования с генератором, обеспечивает надежность при самых серьезных отключениях.
Контроллер Evolution ™
Новое поколение интуитивно понятных контроллеров с многоязычным двухстрочным текстовым ЖК-дисплеем с цветными кнопками с подсветкой.
Сертифицировано для 18-дюймовой установки в доме
Сертифицировано третьей стороной по стандартам NFPA для установки на расстоянии 18 дюймов от внешней стены дома при условии, что дом расположен вдали от дверей, окон и воздухозаборников, а также если иное не предписано местными правилами.
Простая установка
С интеллектуальным предварительно смонтированным безобрывным переключателем, модернизированными точками подключения и композитной монтажной площадкой, которая устраняет необходимость в бетонном основании (если не указано в местных нормах), генератор серии Guardian мощностью 8 кВт прост в использовании. установить.
Преобразование топлива без инструментов
Переключение между природным газом и сжиженным топливом в полевых условиях за несколько секунд без использования каких-либо инструментов.
Рассчитан на работу в областях с низким давлением природного газа
В областях с низким давлением природного газа генератор Guardian Series 20 кВт может работать с давлением природного газа всего 3.5 дюймов водяного столба — значительно ниже, чем опубликованные цифры для конкурирующих систем резервного генератора.
Всепогодный стальной корпус
Отделка Power Armor помогает сделать прочный стальной корпус Galvanneal идеальным для любых погодных условий.
Режим Quiet-Test ™
Благодаря Quiet-Test ваш домашний резервный генератор Guardian Series выполняет еженедельное самотестирование при более низких оборотах. Он тише, чем другие марки, и потребляет меньше топлива.
Технология True Power ™
Лучшее в своем классе качество электроэнергии с общим гармоническим искажением менее 5% означает чистую и плавную работу вашей чувствительной электроники и приборов.
Совместимость с Mobile Link ™
Воспользуйтесь преимуществами сотовой системы удаленного мониторинга Generac Mobile Link и проверьте состояние своего генератора с помощью компьютера, планшета или смартфона, даже когда вы находитесь в отъезде. Продано отдельно.
24/7/365 Служба поддержки клиентов
Отключение электроэнергии не всегда происходит в нормальное рабочее время. Вот почему центр обслуживания клиентов Generac обеспечивает поддержку в любое время дня и ночи в течение всего года. Компания Generac готова ответить на ваши вопросы круглосуточно, без выходных, каждую минуту.
В комплекте: 16-контурный автоматический выключатель
Выбрав размер вашей генераторной системы в соответствии с вашими потребностями вместо площади вашего дома, вы не потратите слишком много средств и не будете удивлены недостаточным покрытием. Многие домовладельцы предпочитают покрывать только свои основные цепи во время отключения электроэнергии. Соедините меньший генератор с предварительно смонтированным коммутатором Generac, чтобы получить простую и чрезвычайно экономичную систему, которая обеспечит питание ваших основных устройств во время чрезвычайной ситуации.
Включает:
- True Power ™ Electrical Technology
- Двухстрочный ЖК-дисплей Многоязычный Dig
Сеть LC
Сеть LC
В некоторых синусоидальных генераторах используются резонансные цепи, состоящие из индуктивности и емкость.Например, вспомните контур резервуара, в котором резонансный контур хранит энергия попеременно в катушке индуктивности и конденсаторе, образуя синусоидальную волну. Вы изучили это действие контура бака в главе 1.
Если бы в контуре резервуара не было внутреннего сопротивления, возникли бы колебания. продолжайте бесконечно, как показано на рисунке 2-3, вид (A). Каждый резонансный контур делает, тем не менее, они содержат некоторое сопротивление, которое рассеивает мощность. Эта потеря мощности вызывает амплитуда уменьшается, как показано на видах (B) и (C).Уменьшение амплитуды в схема генератора упоминается как ДЕМПФИРОВАНИЕ. Демпфирование вызывается как резервуаром, так и грузом. сопротивления. Чем больше сопротивление резервуара, тем больше демпфирование. Загрузка бак вызывает тот же эффект, что и увеличение внутреннего сопротивления бака. В Эффект этого демпфирования можно преодолеть, применив регенеративную обратную связь.
Рисунок 2-3A. — Эффекты демпфирования.
Рисунок 2-3B.- Эффекты демпфирования.
Рисунок 2-3C. — Эффекты демпфирования.
На рис. 2-4 показана блок-схема типичного LC-генератора. Обратите внимание, что осциллятор содержит три основных требования к устойчивым колебаниям: усиление, частотно-определяющее устройство и регенеративная обратная связь.
Рисунок 2-4. — Генератор LC.
Усилитель подает энергию для запуска так называемого ЭФФЕКТА МАХОВИКА. В эффект маховика — поддержание колебаний в контуре в промежутках между импульсы энергии возбуждения. Напомним, что в главе 1 контур резервуара поочередно хранится энергия в катушке индуктивности и конденсаторе. Сеть LC обеспечивает начальные колебания. А часть выхода LC-сети затем возвращается на вход усилителя. через сеть с регенеративной обратной связью для поддержания колебаний.
Когда контур резервуара используется для создания колебаний в генераторе, выходной сигнал частота генератора — это в первую очередь резонансная частота контура резервуара и можно найти по формуле:
Кристаллы
Еще одно устройство для определения частоты — КРИСТАЛЛ. Кристалл можно использовать с контур резервуара, или он может работать самостоятельно. Кристаллы обладают характеристикой, известной как ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.Пьезоэлектрический эффект — это свойство кристалла, благодаря которому механические силы производят электрические заряды и, наоборот, электрические заряды производят механические силы. Этот эффект представляет собой форму колебаний, аналогичную эффекту маховика двигателя. резервуарный контур.
Пьезоэлектрический эффект проявляется в ряде кристаллических веществ. Большинство Важными из них являются минералы кварц и соль Рошель. Хотя кварц не демонстрируют пьезоэлектрический эффект в той степени, в которой это делает соль Рошель, кварц используется для регулировка частоты в генераторах из-за его большей механической прочности.Другой минерал, турмалин, физически силен, как кварц; а потому что дороже, он не используется широко как fdd. Это обсуждение будет касаться только кварца. кристалл.
Кристаллы, используемые в схемах генераторов, представляют собой тонкие листы или пластины, вырезанные из натурального материала. или синтетический кварц и измельченный до определенной толщины для получения желаемого резонансного частота. Кристаллы закреплены в держателях, которые поддерживают их физически и обеспечивают электроды, на которые подается напряжение.Держатель должен позволять кристаллам свободно вибрация. Есть много разных типов держателей. Один тип показан на рисунке 2-5.
Рисунок 2-5. — Держатель для кристаллов.
Частота, на которой кристалл заземляется, называется ЕСТЕСТВЕННЫМ РЕЗОНАНСОМ. ЧАСТОТА кристалла. Подаваемое на кристалл напряжение вызывает механические колебания. которые, в свою очередь, создают выходное напряжение на собственной резонансной частоте кристалл.Вибрирующий кристалл можно представить эквивалентной электрической схемой состоит из емкости, индуктивности и сопротивления.
Рисунок 2-6, вид (A), иллюстрирует символ кристалла; вид (B) показывает эквивалент схема для кристалла. Вид (C) показывает эквивалентную схему для кристалла и держатель; C1 представляет собой емкость между металлическими пластинами держателя.
Рисунок 2-6A. — Кристаллический символ и схемы замещения.СИМВОЛ
Рисунок 2-6B. — Кристаллический символ и схемы замещения. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЦЕПЬ
Рисунок 2-6C. — Кристаллический символ и схемы замещения. ДЕРЖАТЕЛЬ ДОБАВЛЕН
Q (обсуждается в главе 1) кристалла во много раз больше, чем у ЖК. резервуарный контур. Высокая добротность присутствует, потому что сопротивление в кристалле чрезвычайно велико. небольшой.Количество кристаллов, производимых в промышленных масштабах, колеблется от 5 000 до 30 000 Q. Причины высокого Q стабильность частоты должна быть намного выше, чем у обычной цепи резервуара LC. Этот по этой причине кристалл используется во многих схемах генератора синусоидальных волн.
Q.1 Каковы две классификации генераторов волн в зависимости от их выходной мощности?
формы волны?
Q.2 Какие три сети используются для устройств определения частоты?
Q.3 Как еще называют несинусоидальные осцилляторы?
В.4 Что такое невращающееся устройство, вырабатывающее переменный ток?
В.5 Какие три требования необходимы для существования колебаний в цепи?
| LC Calculator
Этот калькулятор резонансной частоты использует значения емкости (C) и индуктивности (L) LC-контура (также известного как резонансный контур, резервуарный контур или настроенный контур) для определения его резонансной частоты (f).
Вы можете использовать калькулятор в три простых шага:
- Введите любые два параметра для резонансного контура.
- Выберите единицы измерения, которые вы хотите использовать.
- Нажмите «Рассчитать», и калькулятор резонансной частоты вычислит третий недостающий параметр.
Ссылка
В области электроники LC-схема используется либо для генерации сигналов с определенной частотой, либо для выбора одного сигнала из более сложного сигнала с определенной частотой. LC-схемы играют фундаментальную роль в работе многих электронных устройств, включая радиооборудование, и используются в таких схемах, как фильтры, генераторы, тюнеры и смесители частот.
