Тема 2.6. Электронные генераторы.

Тема 2.6. Электронные генераторы.

Генераторы релаксационных колебаний: мультивибраторы. Схема на транзисторах, принцип работы, параметры выходных сигналов:

Общие сведения.

Релаксационный генератор — генератор колебаний, в которых активный элемент работает в ключевом (релейном) режиме — включен/выключен.

Характерные особенности релаксационных генераторов:

1. Не могут работать при отключенном источнике энергии.

2. Являются только автогенераторами.

3. Являются нелинейными системами, для описания требуют применения нелинейной теории колебаний.

Релаксационные генераторы электрических колебаний бывают следующих видов:

1. Различные модификации мультивибраторов.

2. Генератор пилообразного напряжения.

3. Генератор треугольного напряжения.

Мультивибраторы.

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Мультивибраторы могут быть настроены для работы в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и режиме синхронизации.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью.

Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы.

В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают синхронизирующие сигналы.

Режим синхронизации отличается от автоколебательного тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) колебания удаётся подстроить частоту колебаний мультивибратора под частоту синхронизирующего напряжения или сделать кратной ей (захват частоты) для автоколебательных мультивибраторов.

Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений резисторов R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей конденсаторов C1 и C2, а также параметров транзисторов V1 и V2. В автоколебательном режиме мультивибратор возбуждается и генерирует прямоугольные импульсы сразу же после включения источника энергии. Процесс на выходе этого генератора проиллюстрирован ниже:

Разберёмся теперь, какие параметры элементов мультивибратора задают выходные токи и частоту генерации мультивибратора? На что влияют номиналы коллекторных резисторов? При правильном расчёте мультивибратора, отклонение значений этих резисторов более чем в пять раз от расчётного, не изменит частоты мультивибратора. Главное, чтобы их сопротивление было меньше базовых резисторов, потому, что коллекторные резисторы обеспечивают быстрый заряд конденсаторов. Но зато, номиналы коллекторных резисторов являются главными для расчёта потребляемой мощности от источника питания, значение которой не должно превышать мощность транзисторов. Если разобраться, то при правильном подключении они даже на выходную мощность мультивибратора прямого влияния не оказывают. А вот длительность между переключениями (частота мультивибратора) определяется «медленным» перезарядом конденсаторов. Время перезаряда определяется номиналами RC цепочек – базовых резисторов и конденсаторов (R2C1 и R3C2).

Мультивибратор, хоть и называется симметричным, это относится только к схемотехнике его построения, а вырабатывать он может как симметричные, так и не симметричные по длительности выходные импульсы. Длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT1 определяется номиналами R3 и C2, а длительность импульса (высокого уровня) на коллекторе VT2 определяется номиналами R2 и C1.

Полный процесс возбуждения и генерирования импульсов поясняется следующими графиками и пояснениями, приведенными далее:

В момент включения источника питания Eк один из транзисторов (с более отрицательным потенциалом на базе), допустим V1, оказывается насыщенным, а второй V2 запертым, так как полная симметрия практически недостижима. С этого момента конденсаторы также приобретают заряды, полярность которых показана на рисунке.

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.

Состояние 1: V1 закрыт, V2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током V2 через R1 и V2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы V2)* R2, а на коллекторе V1 — питанию.

Напряжение на коллекторе V2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый V2 и R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе V1 = (небольшое напряжение на коллекторе V2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, полностью запирающее транзистор.

Состояние 2: то же в зеркальном отражении (V1 открыт и насыщен, V2 закрыт).

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе V1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет ноля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе V1 не достигнет примерно 0,6 В.

Это приведет к началу открытия V1, появлению коллекторного тока через R1 и V1 и падению напряжения на коллекторе V1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе V2 и началу закрытия V2.

Закрытие V2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезаряженным C2 это ещё более повышает напряжение на базе V1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению V1 и полному закрытию V2.

Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени разряда C1 через открытый V1 и R2.

Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.

Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.

R1 и R4 подбираются как можно меньше, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Расчет частоты мультивибратора:

где

● f частота в Гц.

● R2 и R3 величины резисторов в Омах.

● C1 и C2 величины конденсаторов в Фарадах.

● T — длительность периода

12 Следующая ⇒