ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Электротехника
  • Элементы электрических цепей
  • Схемы замещения источников
    электрической энергии
  • Анализ цепи переменного тока
     и входящих в нее элементов
  • Параллельное соединение резистивного
    и индуктивного элементов
  • Машины постоянного и переменного тока
  • Принцип действия асинхронного
    и синхронного двигателей
  • Принцип действия машин постоянного тока
  • Трансформаторы и электромагнитные устройства
  • Трансформатор
  • ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
  • ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ
  • ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
  • СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
  • Машины переменного тока
  •  Электрические машины разделяются
    на генераторы и электродвигатели
  • Коллекторные двигатели переменного тока
  • Разборка и сборка электродвигателя
    постоянного тока
  • Выполнению ремонтных работ
  • Электроника
  • Электрические и электронные аппараты
    и устройства
  • Некоторые лампы СВЧ диапазона
  • Полупроводниковые диоды
  • Тиристоры.
  • Выпрямители и инверторы промышленной частоты
  • Электронные усилители
  • Обратная связь в усилителях
  • Катодный и эмиттерный повторители
  • Усилители мощности
  • Повторитель напряжения
  • Шумы в усилителях
  • Генераторы электрических колебаний
  • RC-генераторы
  • Ждущий мультивибратор
  • Мультивибратор на ОУ
  • Цифровые электронные устройства
  • Реализация сложных логических функций
    на интегральных микросхемах
  • Последовательные цифровые устройства
  • Счётчик
  • Регистр
  • Комбинационное цифровое устройство
  •  Сумматоры
  • Импульсные генераторы
    на цифровых микросхемах
  • Охлаждение полупроводниковых приборов
  • Способы охлаждения полупроводниковых
    приборов
  • Воздушное, естественное
    и принудительное охлаждение
  • Системы охлаждения силовых модулей
  • Основные методы охлаждения
  • Расчет параметров охладителей
  • Выбор охладителя
  • Дискретные приборы
  •  

    RC-генераторы.

    Технические характеристики LC-генераторов в диапазонах достаточно низких частот существенно ухудшаются из-за резкого возрастания величин и размеров индуктивностей и емкостей колебательных контуров. Поэтому в низкочастотных автогенераторах в качестве колебательных систем и цепей положительной ОС используют частотно-избирательные RC-цепи. Наиболее распространены в радиоэлектронике и технике связи низкочастотные автогенераторы двух видов — с фазосдвигающей RC- цепью и с мостом Вина.

    Автогенератор с фазосдвигающей RC-цепью.

    Такой автогенератор содержит инвертирующий усилитель и трехзвенную RC-цепь положительной ОС (рис.6.6). Из теории цепей известно, что данная трехзвенная RС-цепь имеет типовые амплитудно-частотную (f) и фазовую (f) характеристики, показанные на рис.6.6.

    RC-генераторы.

    Рис.6.6.

    Цепь вносит фазовый сдвиг = на частоте   и имеет вещественное значение коэффициента передачи =1/29. Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя Kус=R2/R129, а баланс фаз обеспечивается автоматически путем инвертирующего включения ОУ. Недостатки RC-генератора на инвертирующем усилителе и трехзвенной RC- цепью — довольно большое количество элементов в петле положительной ОС и, как следствие, трудность перестройки частоты генерации в широком диапазоне. Поэтому чаще применяют автогенераторы с неинвертирующим включением операционного усилителя и мостом Вина в цепи положительной ОС.

    RC-генератор с мостом Вина.

    Мост Вина представляет собой частотно-избирательную последовательно- параллельную RC-цепь, состоящую из двух емкостей С и двух сопротивлений R. Амплитудно-частотная (f) и фазовая (f) характеристики моста Вина (рис. 6.7) известны. Из графика частотной характеристики следует, что на частоте fk=(2RC)-1 коэффициент передачи моста Вина  =1/3, а фазовый сдвиг в выходном сигнале отсутствует (=0). Значит, самовозбуждение автогенератора будет происходить при коэффициенте усиления усилителя K=R2/R13 на квазирезонансной частоте fk. Данный автогенератор имеет более компактную структуру построения схемы. В ней цепь положительной ОС включается между выходом и неинвертирующим входом ОУ (рис. 6.7). Регулировка амплитуды осуществляется подстроечным резистором R2. Перестройка частоты в схеме осуществляется обычно с помощью сдвоенного конденсатора.

    RC-генератор с мостом Вина

    Рис.6.7.

    6.3 Автогенератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением (туннельный диод).

     Второй идеей получения незатухающих колебаний является внесение в колебательный контур отрицательного дифференциального сопротивления. Свободные колебания в контуре описываются выражением . При добавлении в контур последовательного сопротивления Rд Rэкв=rк+Rд, где rк – собственное сопротивление контура (сопротивление индуктивности). Если Rд<0 и Rдrк , то Rэкв 0 и колебание в контуре затухать не будут.

    Автогенератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением

    Рис.6.8.

      При параллельном дифференциальном сопротивлении  и при Rд<0 и  также Rэкв  0. В качестве дифференциального сопротивления применяют туннельные диоды, лавинно – пролётные диоды (ЛПД) и диоды Ганна (ДГ). Схемы генераторов на туннельных диодах приведены на рис.6.8. Изменением напряжения питания диод устанавливается на середину падающего участка характеристики (точка U0).

     Генераторы на туннельных диодах используются в сверхвысокочастотной области. Анализ показывает, что генератор на усилителе с положительной обратной связью также можно трактовать как генератор в виде контура с отрицательным дифференциальным сопротивлением, которым является транзистор или лампа с положительной обратной связью. (Увеличение коллекторного тока в транзисторе сопровождается увеличением напряжения на базе и соответственно уменьшением коллекторного напряжения).

    Стабилизация частоты в автогенераторах.

    Наиболее важным требованием, предъявляемым к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы автогенератора частота колебаний может изменяться под воздействием различных дестабилизирующих факторов: изменений температуры, влажности и напряжения питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воздействий, что проявляется в изменениях величин индуктивностей, емкостей и сопротивлений, входящих в состав колебательных контуров и частотно- избирательных RC-цепей.

    Относительная нестабильность частоты определяется коэффициентом нестабильности f'/fp или f'/fk. При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие формулы:

    для LC-генераторов f'/fp=-0.5(L/L+C/C); для RC-генераторов f'/fk=(R/R+C/C).

    Здесь параметры L, C, R — величины изменений индуктивностей, емкостей и сопротивлений от номинальных значений. В схемах автогенераторов гармонических (часто и импульсных) колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

    Параметрический способ стабилизации частоты заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе высокочастотных и прецизионных элементов колебательных контуров автогенераторов. Для исключения влияния температуры на параметры усилительных элементов автогенераторы в отдельных случаях помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воздействий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10-5 (уход частоты на f' =10 Гц при частоте генерируемых колебаний f = 1 МГц).

    Кварцевая стабилизация частоты основана на применении в электрических схемах вместо LC-контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить нестабильность частоты колебаний автогенератора до 10-7 (отклонение частоты на f'=0,1 Гц при частоте генерируемых колебаний f=1 МГц). Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержатель тонкую пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла и металлизированы тонким слоем серебра. Известно, что при воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему, по эквивалентной схеме совпадающую с обычным колебательным LC-контуром (рис.6.9.а).

    Стабилизация частоты в автогенераторах

    Рис.6.9.

    Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высокую стабильность частоты кварцевых резонаторов. При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой, в которой элементы LQ, CQ и RQ характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость Сок отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис.6.9.б). Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f1 и параллельный на частоте f2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы LQ и СQ отражающие резонансную частоту кварца . Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.

    6.5 Генераторы шумовых сигналов.

    Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) вырабатывают флуктуационные напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками. Основным узлом схемы шумового генератора является задающий генератор. Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот (теоретически это белый шум). В задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, поддающимися достаточно несложному математическому анализу. В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, действующее значение напряжения на котором рассчитывается по известной формуле:

    U2 = 4kБTRf  (6.5),

    где kБ - постоянная Больцмана; Т и R - температура и сопротивление резистора; f - полоса пропускания регистрирующего прибора. Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной.

    Источники теплового шума используются в качестве образцовых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные данные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумовых генераторах также применяют фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т. п. В качестве преобразователей спектра в шумовых генераторах применяются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты — в зависимости от того, какое преобразование шума требуется. Так, применив в качестве преобразователя спектра фильтр с определенным коэффициентом передачи, можно получить из генератора белого шума генератор стационарного случайного процесса со спектральной плотностью мощности, изменяющейся по заданному закону в определенном диапазоне частот. Низкочастотные шумовые генераторы действуют в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. Шумовые СВЧ-генераторы имеют высшую частоту рабочего диапазона до 1010Гц.

    Генераторы релаксационных (импульсных) колебаний.

    Если в автогенераторе гармонических колебаний глубину положительной ОС теоретически приблизить к 100% (=1) и убрать узкополосную избирательную систему, то синусоидальное выходное напряжение должно превратиться в колебание прямоугольной формы. Поэтому в релаксационных автогенераторах вместо колебательных контуров применяется апериодическое электрическое звено с одним энергоемким (накопительным) элементом, например, RС-цепь. При этом баланс фаз и амплитуд выполняется в достаточно широкой полосе частот.

    Мультивибраторы.

    Автогенератор прямоугольных импульсов, длительность и частота следования которых определяется параметрами времязадающих RC-цепей, называют мультивибратором. Мультивибраторы имеют два временно устойчивых (квазиустойчивых) состояния. Классическая схема симметричного мультивибратора содержит два транзисторных ключа, взаимно охваченных с входов на выходы двумя петлями положительных ОС: одна из них образована резистивно-емкостной цепью R1C1, а другая — идентичной цепью R2C2 (рис.6.10.а).

    Рассмотрим работу классической схемы мультивибратора, полагая, что транзисторы практически неинерционные (т. е. достаточно высокочастотны) и переключаются мгновенно. Упрощенные временные диаграммы напряжений на базах и коллекторах обоих транзисторов показаны на рис.6.10.б. Пусть в момент времени t =0 анализируемый мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии, при котором транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт.

    Генераторы релаксационных (импульсных) колебаний

    Рис.6.10.

    В схеме в этом случае имеет место следующее состояние — напряжение на коллекторе транзистора VT1 Uk10; напряжение на коллекторе транзистора VT2 составляет Uk2E; конденсатор С1 заряжен отрицательно и напряжение на базе VT2 минус относительно эмиттеров. Конденсатор С2 также заряжен, но напряжение на базе транзистора VT1 положительно и равно произведению базового тока на сопротивление перехода эмиттер-база. Такое состояние мультивибратора не является устойчивым т.к. происходит разряд конденсатора С1 по цепи: источник +Е, резистор R2, конденсатор С1, цепь коллектор-эмиттер открытого транзистора VT1. Как только напряжение на базе транзистора VT2 станет больше нуля (конденсатор С1 практически разряжен, а напряжение на переходе коллектор-эмиттер VT1 небольшое положительное) транзистор VT2 начнёт открываться. Этот транзистор откроется, через него потечет коллекторный ток, вызывая уменьшение напряжения Uk2. Отрицательный скачок данного напряжения через конденсатор С2 передастся на базу транзистора VT1, приводя последний к закрыванию и увеличению его коллекторного напряжения Uk1. Положительный скачок напряжения Ukl через конденсатор С2 поступит на базу транзистора VT2, что еще больше откроет этот транзистор. В схеме начинается лавинообразный процесс, заканчивающийся переключением мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние, когда транзистор VТ2 открыт и насыщен, а транзистор VT1 закрыт. Однако напряжение на транзисторе VT1 нарастает не скачком, а экспоненциально с характерным временем заряда конденсатора C1 через резистор Rk1 и сопротивление перехода база-эмиттер VT2 ( з1= (Rk1+rэб1)C1 ). Этот процесс также вызывает характерный небольшой положительный импульс напряжения на базе VT2. Конденсатор С1 заряжается практически до напряжения питания Е. На интервале t1...t2 происходит разряд конденсатора С2 и в момент времени t2 произойдет новое переключение мультивибратора. Далее процессы в схеме начнут периодически повторяться, а на коллекторах транзисторов будут формироваться импульсы выходного напряжения. Поскольку в мультивибраторе всегда сопротивления R1 > Rk2 (соответственно и R2 > Rk1), то постоянная времени разряда конденсаторов С1 р1=R2C1 и С2 р2=R1C2 больше постоянной времени заряда конденсаторов С1 и С2 з1 = Rk1C1, з2 = Rk2C2. Длительность импульсов напряжения на коллекторах транзисторов соответствует времени перезаряда соответствующего конденсатора. Можно показать, что для симметричного мультивибратора, у которого C1=C2=С, R1=R2=R и Rk1=Rk2=Rk, длительность импульса определяется формулой:

    и=RCln2=0,7RC  (6.6).

    Очевидно, что период повторения импульсов

    Т=2и1,4RC  (6.7).

    Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах