WYKŁAD 11 AIN. k f = =

Transkrypt

1 108 Sprzężenie zwrotne. KŁAD 11 Sprzężeniem zwrotnym nazywa się oddziaływanie sutu na przyczynę. W A IN A +A F A technice stosuje się je do uzysania pewnych własności, trudnych do osiągnięcia inną A drogą. Podstawowym uładem β eletronicznym, w tórym stosuje się A sprzężenie zwrotne jest wzmacniacz. Uład sprzężenia zwrotnego doonuje analizy (próbowania) sygnału wyjściowego i wytwarza sygnał sprzężenia zwrotnego, tóry dodaje się do sygnału wejściowego. Jeżeli wzmocnienie wzmacniacza jest opisywane zależnością : A AIN, a działanie uładu sprzężenia zwrotnego parametrem : βa A, to ponieważ AIN A + A, można łatwo poazać, że wypadowe wzmocnienie uładu ze sprzężeniem zwrotnym wyrażone jest przez : A A 1 β Ponieważ wzmacniacz i uład sprzężenia zwrotnego przesuwają azę, więc : exp( jφ ) oraz β β exp( j ψ). Wówczas wzór na wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym przyjmuje postać : ( cosφ + j sinφ ) 1 β[ cos( φ + ψ ) + j sin( φ + ψ )] W szczególnym wypadu, gdy suma przesunięć azowych wprowadzanych przez uład sprzężenia zwrotnego i wzmacniacz wynosi φ+ψ2nπ, wyrażenie to upraszcza się do postaci : 1 β Mamy wtedy do czynienia z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Prowadzi ono do zwięszenia wzmocnienia wzmacniacza. W przypadu, gdy : φ+ψ(2n+1)π otrzymujemy : 1+ β Ten typ sprzężenia nazywa się ujemnym. Powoduje ono zmniejszenie eetywnego wzmocnienia wzmacniacza. Za pomocą sprzężenia zwrotnego można wpływać na własności urządzeń eletronicznych. Jedną z najważniejszych jest stabilność wzmocnienia. Oreśla się ją za pomocą d parametru bezwzględnego : γd d, lub jao wrażliwość względną : γ. d W przypadu, gdy mamy do czynienia z uładem ze sprzężeniem zwrotnym, wówczas :

2 109 γ 1 ( 1 β ) 2 oraz Dla dodatniego sprzężenia zwrotnego otrzymujemy : 1 γ oraz 2 1 β ( ) γ γ 1. 1 β 1, 1 β czyli stabilność wzmacniacza ulega zmniejszeniu w stosunu do stabilności wzmacniacza bez sprzężenia. Natomiast gdy mamy do czynienia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym : 1 1 γ oraz γ β 1 + β ( ) Wynia stąd, że za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego możemy poprawić stabilność uładu., w Szczególnie, gdy wzmocnienie wzmacniacza jest bardzo duże ( ) przypadu ujemnego sprzężenia zwrotnego 1 β. Parametry uładu są więc wyznaczone tylo przez parametry uładu sprzężenia zwrotnego, a te mogą być bardzo stabilne, gdyż obwody sprzężenia zwrotnego często buduje się wyłącznie z elementów biernych. Za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego można również poprawić własności szumowe uładu eletrycznego : zreduować pojawiające się na jego wyjściu niepożądane sygnały ja szumy, załócenia i znieształcenia. Załadamy, że szumy i załócenia nie dostają się do wzmacniacza wraz z sygnałem wejściowym, lecz powstają w wyniu niedosonałości uładu w jego wnętrzu. Szumowe własności uładu eletronicznego opisuje współczynni szumów : N N N N N + N A A A β wzmacniacz załócający wzmacniacz załócający z orecją A / N F A / N Współczynni szumów uładu idealnego (niewprowadzającego załóceń) wynosi 1. Tworząc obwód złożony ze wzmacniacza orecyjnego ( ) wzmacniającego sygnał wejściowy dla badanego wzmacniacza oraz pętli sprzężenia zwrotnego uzysujemy dla sygnału wejściowego wzmocnienie eetywne : ' 1 β'

3 110 Jedna dla załóceń i szumów wytwarzanych we wzmacniaczu wzmocnienie eetywne wynosi : N 1 β ' Można poazać, że współczynni szumów wynosi wtedy : F 1+ N ' N W przypadu ujemnego sprzężenia zwrotnego, by uzysać identyczne wzmocnienie uładu z orecją i uładu bez orecji, wzmocnienie wzmacniacza orecyjnego powinno być > 1, dzięi czemu uzysa się współczynni szumów mniejszy niż dla uładu bez orecji : ( F 1 + N N ). Gdy zastosowane będzie dodatnie sprzężenie zwrotne należy użyć tłumia w miejsce wzmacniacza orecyjnego, (czyli 0 < < 1), ale wtedy współczynni szumów ulegnie zwięszeniu. Powyższe rozważania sugerują, że w złożonych uładach eletronicznych powinno się, o ile to możliwe, stosować jedną wspólną pętlę silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, obejmującego całość uładu. Należy szczególnie starannie dbać o wysoą jaość wejściowych stopni eletronicznych, gdyż im dalej od wejścia uładu pojawiają się szumy i znieształcenia, tym łatwiej jest wyeliminować je z sygnału wyjściowego. Za pomocą sprzężenia zwrotnego można taże orygować własności częstotliwościowe uładów eletronicznych. Ja wiadomo, ze względu na elementy reatancyjne, eet Millera itd. charaterystyę częstotliwościową uładu można opisać wzorem : ( ω ) j ω ω Jeżeli wzmacniacz pracuje w uładzie ze sprzężeniem zwrotnym : ( ω) ( ω) 1 β( ω) g 1+ β j ω ω g ω g+ ω g ω g- częstotliwość 1+ jω ω 0 wzmocnienie bez sprzężenia ujemne sprzęż. zwrotne dodatnie sprzęż. zwrotne

4 111 Oznaczając : ( β 0 ) wzmocnienie uładu : oraz : ω ω ( β otrzymujemy znaną postać na ( ω) 1+ 0 j ω ω g 1 0) g g. W przypadu gdy zastosowane zostanie ujemne sprzężenie zwrotne następuje zmniejszenie masymalnego wzmocnienia wzmacniacza do wartości - lecz równocześnie zwięszenie częstotliwości granicznej do wartości ω -. Dodatnie sprzężenie zwrotne wywoła zwięszenie masymalnego wzmocnienia do wartości + lecz jednocześnie pasmo przenoszenia wzmacniacza ulegnie ograniczeniu do częstotliwości ω +. Podsumowując, można stwierdzić, że ujemne sprzężenie zwrotne pozwala orzystnie modyiować własności aparatury eletronicznej : zwięszać jej stabilność, reduować współczynni szumów, poszerzać pasmo częstotliwości. Zmniejszenie eetywnego współczynnia wzmocnienia dla dzisiejszej technii eletronicznej nie jest w zasadzie przeszodą. Ujemne sprzężenie zwrotne stosuje się w uładach tranzystorowych do stabilizacji puntu pracy - za pomocą rezystora E umieszczanego w emiterze. Występuje ono L taże pod postacią eetu Millera, (pojemność C BK ) powodującego ograniczenie wzmocnienia dla wysoich C częstotliwości. BC Dodatnie sprzężenie zwrotne oddziałuje nieorzystnie na uład i we współczesnych urządzeniach eletronicznych jest w zasadzie stosowane tylo w generatorach. E Generatory. Generatory buduje się jao wzmacniacze z silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Ponieważ wzmocnienie taiego uładu opisywane jest wzorem : 1 β β dla β 1 wzmocnienie eetywne uładu. Jednym z najpowszechniej znanych uładów generujących jest multiwibrator astabilny, tóry może być zbudowany z połączonych w pętli dwóch wzmacniaczy o wspólnym emiterze. Ponieważ ażdy z nich odwraca azę o 180 o, w uładzie mamy spełnione waruni dla dodatniego sprzężenia zwrotnego. Uład ten może być również zbudowany z dwóch brame NAND. Jego działanie jest analogiczne do uładu tranzystorowego.

5 112 E E Jeżeli generator ma wytwarzać przebiegi sinusoidalne, należy ograniczyć pasmo częstotliwości, dla tórych w uładzie może zaistnieć dodatnie sprzężenie zwrotne. Załóżmy, że ażdy ze wzmacniaczy przedstawionych poniżej odwraca azę o 180 o. Istnieją trzy podstawowe sposoby (Meissner a, Hartley a i Colpits a) połączenia z nimi uładów rezonansowych w tai sposób, by transmitowały one sygnały z wyjścia do wejścia w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego. Ponieważ warune sprzężenia zwrotnego jest spełniony tylo dla częstotliwości rezonansowej ω o, uład wytwarza przebiegi sinusoidalne o tej częstotliwości. Generatory drgań sinusoidalnych (wszystie wzmacniacze odwracają azę) Meissner a Hartley a Colpits a Z przesuwniami azowymi W innych generatorach dodatnie sprzężenie zwrotne jest uzysiwane dzięi zastosowaniu przesuwnia azowego złożonego z trzech uładów różniczujących lub całujących. Oscylacje pojawią się na częstotliwości, dla tórej przesunięcie azowe wynosi 180 o. Oczywiście, można taże budować generatory ze wzmacniaczami nieodwracającymi azę.

6 113 Stabilność częstotliwości ( ν ν) uzysiwana za pomocą uładów ze sprzężeniem LC zwyle nie przeracza Znacznie bardziej stabilne są drgania uładów mechanicznych, szczególnie płyt warcowych, ze względu na ich niewieli współczynni rozszerzalności termicznej. Kryształy warcu mają własności piezoeletryczne, tzn. że odształcenia ryształu induują na ścianach napięcia eletryczne. Eet piezoeletryczny jest odwracalny : przyładanie napięć do ścian ryształu piezoeletrycznego powoduje jego odształcanie. Dzięi temu drgania ryształów piezoeletrycznych można sprząc z drganiami uładów eletrycznych. Z puntu widzenia własności eletrycznych oscylator warcowy można rozważać jao zastępczy uład rezonansowy szeregowo-równoległy. impedancja oscylator warcowy i jego uład zastępczy rezonans szeregowy I h rezonans równoległy I h. rezonans szeregowy II h rezonans równoległy II h Częstotliwość E Oscylator warcowy współpracujący w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego ze wzmacniaczem (oscylującym w rezonansie szeregowym lub odpowiednio równoległym) tworzy generator warcowy, tórego stabilność może przeraczać Generatory warcowe są w zasadzie nieprzestrajalne. Jedna za pomocą technii cyrowej (dzielenia częstotliwości) lub technii nieliniowej (mnożenia i sumowania częstotliwości) buduje się generatory o częstotliwości regulowanej zwane syntezerami, charateryzujące się przy tym stabilnością generatora wzorcowego. Ułady te są następnie przy użyciu technii PLL (Phase Loced Loop) sprzęgane z wyjściowymi generatorami drgań sinusoidalnych. Syntezery są dzisiaj powszechnie stosowane w nauce i teleomuniacji, w tym taże w odbiorniach radiowych i telewizyjnych wyższej lasy.

7 114 programator generator warcowy ω powielacz częstości nω m dzielni częstości nω m prostoąt JŚCIE generator sterowany napięciem DC detetor azy nω m sinus Phase Loced Loop Zasilacze. olą zasilacza jest dostarczenie energii eletrycznej do uładu odbiorczego w odpowiedniej postaci. Najczęściej wymagane jest, by zasilacz był źródłem napięciowym, nieiedy jest on ograniczniiem prądu (źródłem prądowym), czasami spełnia też inne, dodatowe uncje, ja zabezpieczenie przed przegrzaniem, zapaleniem, porażeniem itp. Zwyle energia eletryczna pobierana jest z sieci. ola zasilacza jest przetworzenie jej ta, by była dostosowana do uładu odbiorczego. Standardowy schemat bloowy zasilacza przedstawiony został poniżej : JŚCIE JŚCIE sieć iltr transormator prostowni stabilizator obciążenie

8 115 Transormator służy do : dopasowania przemiennego napięcia sieci do napięcia wyjściowego zasilacza; galwanicznej izolacji uładu eletronicznego od sieci (zabezpieczenie przed porażeniem, pożarem, załóceniami). Prostowni służy do przeształcenia prądu przemiennego na prąd płynący w jednym ierunu. Najczęściej stosuje się prostownii dwupołowowe, gdyż w stosunu do prostowniów jednopołówowych mają więszą wydajność, więszą zawartość sładowej stałej w widmie wyjściowym, a podstawowa sładowa ich tętnień wynosi 100 Hz. Wśród nich dominują prostownii z mostami Graetza UKŁAD GAETZA - Dla uładów wymagających dużych prądów stosuje się trójazowe prostownii dwupołówowe : + U S t T - Charateryzują się one niewielą zawartością harmonicznych, przy czym najmniejsza częstotliwość pulsacji wynosi 300 Hz.

9 116 Do wyeliminowania pulsacji stosuje się iltry dolnoprzepustowe typu C lub (w przypadu dużych prądów wyjściowych) typu L. W przypadu iltru C należy zastosować pojemność na tyle dużą, by ondensator nie zdołał znacząco rozładować się między cylami pulsacji. Na przyład, gdy dopuszcza się poziom pulsacji 10 %, pojemność C można obliczyć z warunu : TC / L [ ] U U U 1 e < 01. U MAX MIN MAX L U U MAX U MIN MAX C T t gdzie T jest oresem pulsacji. W uładzie przedstawionym obo zarówno dioda ja i ondensator powinny mieć odporność na przebicie U 2 2U MAX. Powielacze napięcia. We współczesnej eletronice - szczególnie w eletronice laboratoryjnej - często zachodzi potrzeba wytworzenia wysoiego napięcia przy niewieliej (o. 1 ma) wydajności prądowej. Problem ten rozwiązuje się za pomocą diodowo - pojemnościowych powielaczy napięcia. W przedstawionym obo podwajaczu napięcia ujemna połówa sinusoidy przez diodę D1 ładuje ondensator C1 do napięcia szczytowego E. Następnie dodatnia połówa sinusoidy poprzez diodę D2 doładowuje ondensator C2 do napięcia 2E. Jeżeli pobór prądu jest niewieli, co oznacza, że między cylami oscylacji napięcia wejściowego ondensatory nie zostaną znacząco rozładowane, na wyjściu otrzymuje się stałe napięcie 2E. U U C1 U C 1 D 2 C 2 D 1 t

10 117 U 5E Zaletą powielaczy napięcia jest możliwość ich budowy elementów nisonapięciowych, mimo, że przy wysoich stopniach powielenia napięcia wyjściowe mogą przeraczać dziesiąti tysięcy woltów. Wadą ich jest wysoa rezystancja wyjściowa, tym więsza, im więszy jest stopień powielenia. Stabilizatory napięcia. element atywny U 5E Analogowe stabilizatory napięcia działają w L oparciu o zasadę dzielnia oporowego. Dzielą się na stabilizatory szeregowe i równoległe, w zależności od tego w jaim położeniu względem wyjścia znajduje się element regulujący. element atywny L Najprostszym stabilizatorem równoległym jest stabilizator z diodą Zenera. Uład ten zapewnia napięcie wyjściowe blisie napięciu Zenera. Jedna znaczne zmiany prądu płynącego przez diodę przy zmieniającej się U >U Z U U Z rezystancji obciążenia powoduje, że stopień stabilizacji tych uładów jest niewystarczający. Znacznie lepiej działa stabilizator równoległy, w tórym jao element atywny zastosowano tranzystor, natomiast dzielni napięcia z dioda Zenera pełni rolę źródła U U U Z +0.7 napięcia odniesienia. Jedna stabilizatory równolegle są rzado stosowane, ponieważ pobierają prąd ze źródła napięcia niestabilizowanego nawet wtedy, gdy do ich wyjścia nie jest dołączone.żadne obciążenie. Wady tej nie posiadają stabilizatory szeregowe (wzmacniacze o wspólnym U U U Z -0.7 V

11 118 oletorze, w tórych L pełni rolę rezystora obciążenia). Ponieważ jedna współczynni wzmocnienia uzysiwany w pojedynczym tranzystorze jest niewieli wahania napięcia wyjściowego wraz ze zmianą obciążenia (a taże i temperatury) sięgają ilu procent. Znacznie bardziej doładne są stabilizatory napięcia ze wzmacniaczami błędu. Element regulacyjny U - U Z U U Z wzmacniacz + 2 wzorzec błędu 2 napięcia 1 W uładzie tym napięcie wyjściowe jest porównywane we wzmacniaczu błędu z napięciem wzorcowym. W przypadu wystąpienia różnicy, wzmacniacz wytwarza napięcie błędu, tóre odpowiednio zwięsza lub zmniejsza potencjał bazy tranzystora regulującego, dzięi czemu następuje odpowiednio zmniejszenie lub zwięszenie rezystancji tego tranzystora, powodując niwelację błędu. Jeżeli napięcie wyjściowe jest próbowane za pośrednictwem dzielnia rezystorowego ( 1-2 ), uład ten pozwala na stabilizację dowolnego napięcia U >U Z. Wadą tej onstrucji jest możliwość uszodzenia w przypadu poboru zbyt wieliego prądu (I). Moc cieplna wydzielająca się w szeregowym elemencie regulacyjnym wynosi : P(U -U )I. Przy zwarciu wyjścia P, i następuje przegrzanie tranzystora. W związu z tym stosuje się ogranicznii prądu, będące jednocześnie ich stabilizatorami. Gdy pobór prądu jest niewieli, uład ten działa podobnie ja stabilizator T 1 napięcia omówiony powyżej. Jedna, gdy pobór prądu jest ta duży, że wywołuje na rezystorze ST spade napięcia ooło 0.7 V, część prądu wyjściowego może przepływać przez złącze baza - emiter tranzystora T 2. Dzięi temu rezystancja tego tranzystora zmniejsza się, co powoduje obniżanie potencjału sterującego bazę tranzystora T 1, a przez to zmniejszenie napięcia wyjściowego. Masymalny prąd wyjściowy tego zasilacza może wynieść : T 2 ST

12 119 V I MAX 07. ST Jedna, gdy pobór prądu jest zbyt wieli, ciepło wydzielane w tranzystorze T 1 sprawia łopoty techniczne. Bardziej sprawnym stabilizatorem jest stabilizator impulsowy, stosowany taże w przetwornicach. Przetwornice. W wielu nowoczesnych urządzeniach eletronicznych jao zasilacze wyorzystuje się przetwornice. W urządzeniach tych napięcie sieciowe jest prostowane, a następnie modulowane (np. za pomocą tranzystora sterowanego przy sieć impulsator użyciu impulsatora) z wysoą częstością. Impulsy w.cz. są transormowane prostowane i iltrowane; na wyjściu przetwornicy wytwarzane jest napięcie stałe. Szeroość impulsów modulujących w stosunu do oresu ich powtarzania (τ/t) są automatycznie dobierane przez impulsator, co pozwala regulować (stabilizować) napięcie wyjściowe. npn T ontrola napięcia wyjściowego Dzięi zastosowaniu wysoiej częstotliwości (10-20 Hz) można zminiaturyzować transormator, stosować niewielie pojemności iltrujące i osiągnąć wysoą sprawność zasilacza. W telewizorach, monitorach oscylosopach itd. częstotliwość impulsów przetwornicy synchronizuje się z generacją obrazu na eranie, co pozwala uninąć załócania go przez pracę zasilacza. Współczesne zasilacze spełniają wiele dodatowych uncji ja inteligentne dozowanie energii eletrycznej, ontrola temperatury itd. Uniwersalne stabilizatory napięć z ograniczniami prądu są powszechnie wytwarzane jao ułady scalone, zawierające podstawowe ułady ja źródło napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu, uład ogranicznia prądu itd. Dodając pewne zewnętrzne elementy można je łatwo dostosować do stabilizacji dowolnego napięcia i prądu. Przyładem taiego uładu scalonego, tóry może być wyorzystany do budowy stabilizatorów liniowych i impulsowych, jest µa 723. τ Ponieważ we współczesnej eletronice często wyorzystuje się standardowe napięcia ja np. 5 V, 9 V, 12 V, 15 V, 24 V itd, dostarcza się również proste w zastosowaniu trojońcówowe stabilizatory tych napięć w pełni zabezpieczone termicznie i prądowo.