Список літератури. 1. Полупроводниковые приборы: транзисторы / Под ред

1. Полупроводниковые приборы: транзисторы / Под ред. Н.Н. Горюнова.- М.: Энергоатомиздат, 1985. - 904 с.

2. Аксенов А.И. Отечественные полупроводниковые приборы: справочное пособие / А.И. Аксенов, А.В. Нефедов.-М.: Солон-Р, 1999.- 496 с.

 

Лабораторна робота 9

Дослідження РОБОЧИХ характеристик

RC- і LC-генераторів

 

Мета роботи – дослідити робочі характеристики електронних RC- і LC-генераторів.

Елементи теорії. Електронний генератор — це пристрій для перетворення електричної енергії джерела постійного струму в енергію незагасальних електричних коливань необхідної форми, частоти і потужності.

За принципом роботи розрізняють генератори із самозбудженням (автогенератори) і генератори із зовнішнім збудженням, які, по суті, є підсилювачами потужності високої частоти. Електронні автогенератори поділяються на автогенератори синусоїдальних (гармонійних) коливань і автогенератори коливань несинусоїдальної форми, які прийнято називати автогенераторами релаксацій (імпульсними).

Генератор із самозбудженням широко використовуються в радіопередавальних і радіоприймальних (супергетеродинних) пристроях, у вимірювальній апаратурі, в електронних обчислювальних машинах, в пристроях телеметрії і т.д.

Найпоширеніші схеми автогенераторів містять підсилювальний елемент і коливальну систему, зв'язані між собою ланцюгом позитивного зворотного зв'язку.

Для побудови автогенератора синусоїдальних коливань звичайно використовуються два типи підсилювальних схем - резонансні підсилювачі і підсилювачі на резисторах. Автогенератори, виконані на основі схеми резонансного підсилювача, часто називають автогенераторами типу LC, а автогенератори, побудовані на основі схеми підсилювача на резисторах, - автогенераторами типу RC.Перші використовуються головним чином на високих частотах, другі - на низьких.

Як підсилювальні елементи схем автогенераторів, використовуваних в пристроях електронної автоматики і обчислювальної техніки, найбільш широко застосовуються транзистори і тунельні діоди.

Внутрішньою класифікаційною ознакою генераторів гармонічних коливань є принцип керування режимом їх роботи. За цією ознакою розрізняють генератори з незалежним збудженням, режимом роботи яких керують від зовнішнього джерела сигналу, і генератори із самозбудженням- автогенератори. Схеми LC-генераторів з незалежним збудженням, по суті, не відрізняються від схем резонансних підсилювачів, але характеризуються значно більшим рівнем потужності, яка виділяється в навантаженні.

Залежно від генерованих частот генератори гармонічних коливань поділяють на низькочастотні (0, 01-100 кГц), високочастотні (0, 1-100 МГц) і надвисокочастотні (> 100МГц). У пристроях промислової електроніки використовуються в основному низькочастотні та високочастотні генератори. Їх застосовують у вимірювальних та регулювальних пристроях, у пристроях живлення технологічних установок ультразвукової обробки матеріалів та ін.

Дана група генераторів призначена для отримання коливань синусоїдальної форми потрібної частоти. Їх робота базується на принципі самозбуждення підсилювача, який охоплений додатним зворотним зв’язком.

На рисунку 1 як приклад наведена схема LC-генератора з трансформаторним зв'язком, виконаним за схемою із загальним емітером. Як навантаження колектора використовується резонансний LC -контур з високою добротністю.

Рисунок 1 – Схема генератора із трансформаторним зв'язком

 

Сигнал зворотного зв'язку знімається із вторинної обмотки резонансного контура і через розділовий конденсатор С_р подається на базу транзистора, забезпечуючи сумарний фазовий зсув рівний (баланс фаз). Якщо взяти індуктивний зв'язок між первинною (N₁) і вторинною (N₂) обмотками ідеальним, для забезпечення балансу амплітуд необхідно виконати умову

,

де β - коефіцієнт підсилення транзистора за струмом; і - число витків первинної і вторинної обмоток відповідно. Частота коливань, що генеруються, близька до резонансної частоти коливального контура:

.

Одним із найважливіших параметрів будь-якого генератора є коефіцієнт нестабільності частоти генерованих коливань:

100%,

де - абсолютне відхилення частоти від номінального значення f. За рахунок коливань температури і напруги джерела живлення коефіцієнт нестабільності транзисторних LC-генераторів не перевищує десятих часток відсотка.

Генератори з коливальним LC-контуром ефективні для одержання високочастотних коливань. Для генерування низьких (звукових частот) у діапазоні від декількох Гц до декількох десятків кГц широко застосовуються RC-генератори - комбінація активних чотириполюсників (підсилювачів) і пасивних RC-ланцюгів, які виконують роль елементів зворотного зв'язку.

Один із можливих варіантів схеми RC-генератора наведений на рисунку 1. Відмінність RC-генератора від LC-генератора полягає в тому, що замість підсилювача з коливальним контуром у ньому застосовується резистивний підсилювач, а зворотний зв'язок здійснюється за допомогою спеціального чотириполюсника з резисторів і конденсаторів. На рисунку 2 як приклад зображена схема двокаскадного RC-генератора, у якому необхідний для генерації баланс фаз забезпечується в самому підсилювачі, кожний із яких повертає фазу на 180°. Найважливішою вимогою, що висувається до автогенератора, є стабільність частоти генерованих коливань. Проте у процесі роботи на автогенератор впливають зовнішні фактори (зміна навколишньої температури, яка приводить до зміни геометричних розмірів і електричних властивостей деталей схеми; зміни напруги джерел живлення; механічна вібрація і деформація деталей), які приводять до зміни його робочої частоти. Крім того, на стабільність частоти впливають

 

Рисунок 2 – Схема двокаскадного RC-генератора

 

паразитні індуктивності та ємнісні схеми - міжелектродні ємності підсилювальних та монтажних елементів, індуктивності електродів та ін. Зменшення впливу цих факторів досягається застосуванням для виготовлення деталей генераторів матеріалів із термостабільними властивостями, екранування і герметизації контурів, стабілізації джерел живлення. Але ці методи не завжди дають можливість забезпечення високої стабільності частоти.

Найефективнішою мірою підвищення стійкості частоти автогенераторів типу LC є кварцова стабілізація. Вона базується на застосуванні в схемі автогенератора кварцових пластинок із сильно вираженим п'єзоелектричним ефектом.

Якщо кварцову пластинку стиснути або розтягнути, то на її протилежних гранях з'являються рівні за величиною, але різні за знаком електричні заряди. Величина їх пропорційна тиску, а знаки залежать від напряму сили тиску. Це явище має назву прямого п'єзоелектричного ефекту. Якщо ж до граней пластинки кварцу прикласти електричну напругу, то пластинка стискатиметься або розтягуватиметься залежно від полярності прикладеної напруги. Це явище називається зворотним п'єзоелектричним ефектом. Цінною властивістю кварцу є дуже висока стабільність частоти механічних коливань, яка визначається геометричними розмірами кварцової пластинки і напрямом деформації. Ця властивість у поєднанні із прямим п'єзоелектричним ефектом дає можливість використовувати кварцові пластинки для стабілізації частоти автогенератора. Добротність такого еквівалентного послідовного контуру досягає величини Q = =10⁴-10⁶. Тому фіксуюча здатність кварцової коливальної системи виявляється дуже високою. Одна з можливих схем кварцового автогенератора показана на рисунку 3.

Таким чином, електронні генератори застосовуються для створення змінних струмів низької, високої та підвищеної частот.

Рисунок 3 - Cхема кварцового автогенератора на тунельному діоді

 

Методичні вказівки. Для дослідження робочих характеристик RC- і LC-генераторів використовують лабораторні стенди, схеми яких наведені на рисунку 4.

До складу електричної схеми для дослідження робочих характеристик RC-генератора входять елементи з параметрами: R₂ = 1, 5 кОм; R₄ = 82 кОм; R₅ = 2 кОм; R₆ = 4, 7 кОм; С₄ = 0, 05 мкФ; С₅ = 1, 0 мкФ; транзистор (VT) типу МП 40А; С₆ = 200 мкФ; R₃ = 1, 0 кОм. Стала напруга живлення 12 В.

 

а

б

Рисунок 4 – Схеми лабораторних стендів для вимірювання робочих характеристик RC-(а) і LC-генераторів (б)

 

До складу електричної схеми для дослідження робочих характеристик LC-генератора входять елементи з параметрами: R₁ = 10 кОм; R₂ = 2, 7 кОм; R₃ = 150 кОм; R₄ = =220 кОм; C₁ = 200 мкФ; C₂ = 0, 5 мкФ; ' C₃ =470мкФ; стабілітрон типу Д 815; транзистор типу КТ 816; котушки з кількістю витків 20 (L₁) та 200 (L₂). Стала напруга подається на базу транзистора VT з подільника R₁, R₂. Зворотний зв'язок, утворений індуктивною котушкою L₁ дає можливість виконати у схемі одну з умов самозбудження (умову балансу фаз). Картина згенерованих коливань генераторів фіксується на осцилографі С1-101.