Elektronika i energoelektronika

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Elektronika i energoelektronika"

Eleonora Stefaniak
6 lat temu
Przeglądów:

1 Wydzia ł Elektrotechniki i Informatyki Politechnika Lubelska Elektronika i energoelektronika wyk ł ad 8 GENERATORY Lublin, maj 2008

2 Generatory Generator jest to układ elektroniczny samorzutnie wytwarzający zmienne przebiegi elektryczne. Generatory są układami służącymi do wytwarzania zmiennych przebiegów elektrycznych (impulsowych lub okresowych) bez konieczności doprowadzania z zewnątrz jakiegokolwiek sygnału pobudzającego. Przetwarzają energię prądu stałego (z zasilacza) na energię drgań.

3 Wzmacniacze a generatory I G Y G Wzmacniacz Y L Zasilanie Generator Y L Zasilanie

4 Podzia ł generatorów W zale ż no ś ci od kszta ł tu wytwarzanego przebiegu: sinusoidalne, niesinusoidalne: przebiegu prostok ą tnego, przebiegu liniowego (trójk ą tnego, pi ł okszta ł tnego), impulsowe.

5 Generatory drga ń sinusoidalnych Generatory drga ń sinusoidalnych mo ż na podzieli ć ze wzgl ę du na sta ł o ść cz ę stotliwo ś ci i mocy wyj ś ciowej generowanych drga ń : generatory cz ę stotliwo ś ci (o du ż ej sta ł o ś ci cz ę stotliwo ś ci) generatory mocy (du ż a moc wyj ś ciowa i du ż a sprawno ść energetyczna bez optymalizacji sta ł o ś ci cz ę stotliwo ś ci)

6 Generatory drga ń sinusoidalnych Ze wzgl ę du na rozwi ą zania uk ł adowe i sposób pracy elementów aktywnych mo ż na je podzieli ć na dwie grupy: generatory sprz ęż eniowe element aktywny obj ę ty jest p ę tl ą dodatniego sprz ęż enia zwrotnego generatory dwójnikowe (o ujemnej rezystancji) element aktywny o ujemnej rezystancji np. tyrystor, dioda tunelowa, tranzystor lawinowy W praktyce mamy g ł ównie do czynienia z generatorami sprz ęż eniowymi.

7 Podzia ł generatorów sprz ęż eniowych Ze wzgl ę du na struktur ę uk ł adu (rodzaj elementów w obwodzie generacyjnym) mo ż na je podzieli ć : generatory RC ze sprz ęż eniem zwrotnym; generatory LC ze sprz ęż eniem zwrotnym ; generatory ze stabilizacj ą piezoelektryczn ą (np. kwarcowe).

8 Parametry generatorów W uk ł adach analogowych najszersze zastosowanie maj ą generatory przebiegów sinusoidalnych. cz ę stotliwo ść generowanego sygna ł u i jej sta ł o ść (stabilno ść cz ę stotliwo ś ci); amplituda generowanego sygna ł u i jej sta ł o ść (stabilno ść amplitudy); zniekszta ł cenia generowanego przebiegu harmonicznego (zawarto ść harmonicznych w generowanym sygnale). parametry energetyczne (moc, sprawno ść )

9 Sprz ęż enie zwrotne S 1 + S in Wzmaczniacz S out S f Czwórnik sprz ęż enia k = S out out /S in in wzmocnienie bloku wzmacniacza = S /S f out transmitancja czwórnika sprz ę gaj ą cego /S out k f = S out /S 1 wzmocnienie uk ł adu ze sprz ęż eniem zwrotnym k f = k/(1-k S f index f pochodzi od ang. s ł owa feedback (sprz ęż enie zwrotne)

10 Warunek generacji Wzmocnienie wzmacniacza z p ę tl ą dodatniego sprz ęż enia zwrotnego wynosi: k f = k/(1-k) Je ś li k = 1 to k f k k j k k Dla podtrzymania drga ń w generatorze wymagane jest spe ł nienie niezale ż nie dwóch warunków: fazy i amplitudy.

11 Warunek fazy musi zachodzi ć zgodno ść fazy sygna ł ów na wej ś ciu i wyj ś ciu wzmacniacza tzn.: j we + j wy = 0 + n 360,, (n = 0, 1,...) Dla zapewnienia warunku fazy w generatorach stosuje si ę dwa podstawowe rozwi ą zania: 1) Wzmacniacz przesuwa faz ę o 0 (360), a p ę tla sprz ęż enia zwrotnego i uk ł ad pobudzany nie wnosi dla danej cz ę stotliwo ś ci przesuni ę cia fazowego. 2) Wzmacniacz przesuwa faz ę tylko o 180,, a dalsze przesuni ę cie fazy o 180 nast ę puje w uk ł adzie pobudzanym do drga ń.

12 Warunek amplitudy ma posta ć : k = 1 (wtedy wzmacniacz staje si ę uk ł adem niestabilnym: 1 k k = 0). W takim przypadku wzmacniacz ca ł kowicie kompensuje t ł umi ą ce dzia ł anie obwodu sprz ęż enia zwrotnego. Generator sam dostarcza na wej ś cie sygna ł podtrzymuj ą cy drgania. W praktyce aby drgania nie zanika ł y - iloczyn k musi by ć troch ę wi ę kszy od 1. U 2 k f S 1/ 0 U 1

13 Generatory dwójnikowe Zasada dzia ł ania generatorów z elementami aktywnymi o ujemnej rezystancji opiera si ę na ich zdolno ś ci odt ł umiania stratnych obwodów rezonansowych LC.

14 Generatory RC W generatorach LC obwód sprz ęż enia zwrotnego tworz ą 3-4 elementy. W generatorach RC najcz ęś ciej jest 4-6 elementów, co zwi ę ksza ilo ść mo ż liwych rozwi ą za ń, a tak ż e stwarza du ż e mo ż liwo ś ci optymalizacji, np. pod k ą tem wra ż liwo ś ci, przestrajania, zniekszta ł ce ń czy wra ż liwo ś ci na zmiany impedancji wej ś ciowej i wyj ś ciowej wzmacniacza. Najprostsza struktura generatora RC sk ł ada si ę ze wzmacniacza nieodwracaj ą cego i jednej ga łę zi selektywnego sprz ęż enia zwrotnego (np. czwórnik RC typu po ł owa mostka Wiena).

15 Generator RC z mostkiem Wiena Zawiera ga łąź selektywn ą o transmitancji + =U + /U 2 (pó ł mostek Wiena z elementami R,C i R,C 1 ) oraz ga łąź aperiodyczn ą o transmitancji - =U - U 2

16 Generatory LC W porównaniu do generatorów RC maj ą : ma ł e zniekszta ł cenia (zale ż ne od dobroci obwodu LC), mo ż liwo ść uzyskania du ż ej sta ł o ś ci cz ę stotliwo ś ci (dzi ę ki zastosowaniu kondensatorów z ujemnym wspó ł czynnikiem temperaturowym i dodatnim dla indukcyjno ś ci), wysok ą sprawno ść, mo ż liwo ść modulacji, zadowalaj ą c ą prac ę przy obni ż onym napi ę ciu zasilania. Generatory LC nie nadaj ą si ę do generacji ma ł ych cz ę stotliwo ś ci, gdy ż warto ś ci elementów LC s ą bardzo du ż e.

17 Generator LC ze sprz ęż eniem zwrotnym Trzy podstawowe struktury generatorów LC, ró ż ni ą ce si ę sposobem sprz ęż enia obwodu rezonansowego z elementem aktywnym. Generatory Colpittsa (a), Hartleya (b), Meissnera (c).

18 Zasada dzia ł ania generatorów z dzielon ą pojemno ś ci ą (Colpittsa) dla cz ę stotliwo ś ci rezonansowej: sygna ł sprzężenia zwrotnego z kondensatora C1 jest przesunię ty w fazie o 180 względem sygnału wyjściowego wzmacniacza i doprowadzany do bazy. Po wzmocnieniu służy on do podtrzymywania drga ń w układzie. Przesunięcie w samym wzmacniaczu wynosi równie ż 180, więc spełniony jest warunek fazy. Warunek amplitudy zależy od stosunku pojemności obwodu rezonansowego C1/C2. Dodatkowe funkcje pełni ą: # Kondensator C3 o dużej pojemności blokuje przepływ składowej stałej prądu kolektora przez obwód rezonansowy, # Rezystory R1,R2 i RE s ą elementami obwodu polaryzacji stałoprądowej tranzystora, ustalającymi jego spoczynkowy punkt pracy; Dławik wysokiej częstotliwości przepuszcza składow ą sta łą prądu, lecz blokuje przedostawanie si ę sygnału zmiennego z wyjścia generatora do obwodu zasilania (zwieranie sygnału przez obwód zasilania).

19 Generator z dzielon ą indukcyjno ś ci ą (Hartley'a) zbudowany jest ze wzmacniacza pracuj ą cego w konfiguracji WE z p ę tl ą sprz ęż enia zwrotnego zawieraj ą c ą obwód rezonansowy L, C, w którym 1 indukcyjno ść jest podzielona na dwie cz ęś ci L i L 1 2

20 Generator Meissnera Charakterystyczn ą cech ą tego typu generatora s ą dwie cewki stanowi ą ce transformator, z których jedna wraz z przy łą czonym kondensatorem stanowi obwód drga ń. a) schemat blokowy b) uk ł ad strojony na kolektorze z zasilaniem równoleg ł ym

21 Generator LC ze sprz ęż eniem zwrotnym Na bazie 3 podstawowych uk ł adów powsta ł o wiele odmian uk ł adów generacyjnych. Do najwa ż niejszych z nich nale ż y generator Clappa (odmiana Colpittsa) oraz generatory kwarcowe nazywane uk ł adami Pierce'a (odmiana generatorów Colpittsa i Hartleya).

22 Generator Clappa jest modyfikacj ą generatora Colpittsa, polegaj ą c ą na zastosowaniu dodatkowo kondensatora stroj ą cego C3 po łą czonego szeregowo z cewk ą L obwodu. Takie rozwi ą zanie pozwala u ż y ć du ż ych warto ś ci pojemno ś ci kondensatorów C1 i C2 (do 1 mf) co znacznie poprawia sta ł o ść cz ę stotliwo ś ci generatora. Uk ł ady uproszczone a) generator Colpittsa b) generator Clappa

23 Generatory kwarcowe S ą pewn ą odmian ą generatorów LC, wykorzystuj ą ce rezonator kwarcowy. Pozwalaj ą na osi ą gni ę cie du ż ej sta ł o ś ci cz ę stotliwo ś ci, nieosi ą galnej przy u ż yciu konwencjonalnych obwodów LC. Grupy uk ł adowe generatorów: generatory, w których rezonator wykorzystany jest jako selektywny element sprz ę gaj ą cy o ma ł ej rezystancji (generatory Butlera) generatory, w których rezonator pracuje jako zast ę pcza indukcyjno ść o warto ś ci szybko rosn ą cej z cz ę stotliwo ś ci ą (generatory Pierce'a).

24 Grupy uk ł adowe generatorów generatory, w których rezonator wykorzystany jest jako selektywny element sprz ę gaj ą cy o ma ł ej rezystancji (generatory Butlera) generatory, w których rezonator pracuje jako zast ę pcza indukcyjno ść o warto ś ci szybko rosn ą cej z cz ę stotliwo ś ci ą (generatory Pierce'a).

25 Generatory Butlera a) z czwórnikiem sprz ę gaj ą cym Colpittsa, b) z czwórnikiem sprz ę gaj ą cym Hartleya c) praktyczna realizacja z czwórnikiem sprz ę gaj ą cym Colpittsa

26 Generatory Pierce'a a) Colpittsa-Pierce'a z dwoma pojemno ś ciami b) Colpittsa-Pierce'a z obwodem rezonansowym c) Hartleya-Pierce'a z indukcyjno ś ci ą d) Hartleya-Pierce'a z obwodem rezonansowym

29 Gdzie jest Chińczyk?

Podobne dokumenty

GENERATORY DRGA K.M.Gawrylczyk 1

GENERATORY DRGA K.M.Gawrylczyk 1 GENERATORY DRGA 1 Generator oparty na filtrze aktywnym o zbyt du ym wzmocnieniu wej cie filtru f=1/(2 RC) Rodzaj filtru: z tłumieniem krytycznym Bessela Butterwortha Czebyszewa 3dB drgania nietłumione