Експлуатація, регулювання та налагодження електронних генераторів
5. RC-автогенератори
У попередньому питанні розглядалися LС- автогенератори. Вони застосовуються на високих частотах. Якщо ж необхідно генерувати низькі частоти, застосування LС- генераторів стає скрутним. Оскільки формула для визначення частоти генерування коливань виглядає наступним чином:
З формули можна помітити, що для зменшення частоти необхідно збільшувати ємність і індуктивність контура. А збільшення ємності і індуктивності безпосередньо призведе до збільшення габаритних розмірів. Іншими словами, розміри контура при цьому будуть велетенськими. А із стабілізацією частоти ситуація буде ще гірше.
Тому було розроблено RC- автогенератори.
Найбільш простим RC- генератором є так звана схема з трифазною фазуючою ланкою, яка ще називається схемою з реактивними елементами одного знаку. Вона показана на рисунку 9.
Рисунок 9 - RC-автогенератор з фазо обертаючою ланкою
Зі схеми видно, що це всього лише підсилювач, між виходом і входом якого включений ланцюг, який обертає фазу сигналу на 180º. Цей ланцюг називається фазообертаючим. Фазообертаюча ланка складається з елементів С1R1, C2R2, C3R3. За допомогою однієї ланки з резистора і конденсатора можна отримати зсув фаз не більше ніж на 90º. А реальний зсув виходить близьким до 60º. Тому для отримання зсуву фази на 180º доводиться ставити три ланки. З виходу останнього RC-ланцюга сигнал подається на базу транзистора.
Робота починається у момент включення джерела живлення. Імпульс колекторного струму, що виникає при цьому, містить широкий і безперервний спектр частот, в якому обов'язково буде і необхідна частота генерації. При цьому коливання частоти, на яку налаштована фазообертаюча ланка, стануть незгасаючими. Для коливань інших частот умови самозбудження виконуватися не будуть і вони, відповідно, швидко затухають. Частота коливань визначається за формулою:
При цьому повинна виконуватись умова:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C
Такі генератори здатні працювати тільки на фіксованій частоті.
Окрім розглянутого генератора з використанням фазо обертаючої ланки є ще цікавий, до речі, найбільш споживаний, варіант. Розглянемо схему подану на рисунку 10.
Рисунок 10 - Пасивний смуговий RC- фільтр з незалежним дільником
Так от, ця сама конструкція є так званим мостом Віна-Робінсона, хоча найчастіше зустрічається назва просто міст Віна. Іноді зустрічаються тексти де міст Віна пишуть з двома "н".
Ліва частина цієї конструкції є пасивним смуговим RC- фільтром, в точці А знімається вихідна напруга. Права частина є ні що інше, як незалежний дільник. Прийнято вважати, що R1=R2=R, C1=C2=C. Тоді резонансна частота визначатиметься наступним виразом:
При цьому модуль коефіцієнта підсилення максимальний і дорівнює 1/3, а фазовий зсув нульовий. Якщо коефіцієнт передачі дільника дорівнює коефіцієнту передачі смугового фільтру, то на резонансній частоті напруга між точками А і В дорівнюватиме нулю, а фазо-частотна характеристика (ФЧХ) на резонансній частоті робить стрибок від - 90º до +90º. Взагалі повинна виконуватися умова:
R3=2R4
Звичайно, все як завжди розглядається в ідеальному або наближеному до ідеального випадка. В реальних умовах справа, як завжди, йде трохи гірше. Оскільки кожен реальний елемент моста Віна має деякі відхилення параметрів, навіть незначне недотримання умови R3=2R4 призведе, або до наростання амплітуди коливань аж до насичення підсилювача, або до згасання коливань або повної їх неможливості.
Для того, щоб було зовсім зрозуміло, додамо в міст Віна підсилювальний каскад (рис. 11). Для простоти додаємо операційний підсилювач (ОП).
Рисунок 11 - Найпростіший генератор з мостом Віна
Оскільки в будь-якому разі відхилень параметрів елементів моста не уникнути, то використовувати саме в такому виконанні схеми не вийде. Необхідно замість резистора R4 вводять або нелінійний або регульований опір. Наприклад, нелінійний резистор, керований опір з допомогою транзисторів, як польових, так і біполярних. Дуже часто резистор R4 у мосту Віна замінюють мікропотужною лампою розжарювання, динамічний опір якої із зростанням амплітуди струму збільшується. Нитка розжарення має досить велику теплову інерцію, і на частотах декілька сотень герц вже практично не впливає на роботу схеми в межах одного періоду.
Генератори з мостом Віна мають одну хорошу властивість: якщо резистори R1 і R2 замінити змінним, але тільки здвоєним, то можна буде регулювати в деяких межах частоту генерації. Якщо конденсатори С1 і С2 розбити на секції, тоді можна буде перемикати діапазони, а здвоєним змінним резистором плавно регулювати частоту в діапазонах. Для прикладу майже практична схема генератора з мостом Віна показана на рисунку 12.
Рисунок 12 - RC-генератор с мостом Віна
Отже, міст Віна утворюють конденсатори С1-С8, здвоєний резистор R1 і резистори R2, R3. Перемикачем SA1 здійснюється вибір діапазону, резистором R1 - плавне регулювання у вибраному діапазоні. ОП DA2 є повторювач напруги для узгодження з навантаженням. В принципі, повторювач можна замінити підсилювачем, до речі, на тому ж самому ОП.