RC генераторы

 
 
 
 
 
 
 

RC – генераторы 
 
 
 
 

Содержание 

1. RC–генераторы.
2. RC–генераторы с фазосдвигающей     цепочкой.
3. RC–генератор без поворота фазы в цепи обратной связи.
4. RC-генератор синусоидальных колебаний.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схемы генераторов, в которых используют RC цепи, комбинацию резисторов и конденсаторов, в их частотно избирательных частях называются RC генераторами. В RC-генераторах обратная связь осуществляется за счет RC-цепей, обладающих избирательными свойствами и обеспечивающих на одной определенной частоте выполнение условий возбуждения  колебаний. В этих генераторах выходное напряжение практически повторяет  форму коллекторного тока транзистора. Поэтому они не могут работать с отсечкой тока и имеют сравнительно низкий КПД.  

RC–генераторы

RC–генераторами называются устройства, предназначенные для генерирования незатухающих колебаний и выполненные на основе усилителей, охваченных частотно-зависимыми положительными обратными связями.

В резистивно-емкостном  усилителе, охваченном положительной  обратной связью, при критическом  значении коэффициента обратной связи  β_кр=1/К коэффициент усиления К_ОС стремится к бесконечности и усилитель переходит в режим генерации. Для поддержания незатухающих колебаний коэффициент обратной связи должен превышать критическое значение β_кр (Кβ =1), а суммарный фазовый сдвиг цепи вход усилителя – обратная связь – вход усилителя должен быть равным нулю или кратным 2π:    
 

  

где К – коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

φ_ус – сдвиг фаз напряжения усилителем;

φ_ОС – сдвиг фаз напряжения в цепи обратной связи;

n – целое число.

Первое из этих равенств является условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении  сигнал на выходе звена обратной связи  должен быть не меньше сигнала на входе  усилителя. Второе равенство является условием баланса фаз и показывает, что фаза входного напряжения усилителя  должна совпадать с фазой выходного  напряжения цепи обратной связи.

Физическую сущность автогенерации колебаний, не прибегая к математическим выкладкам, можно представить следующим образом. Возникшее, например, при подключении транзисторного усилителя к источнику электропитания увеличение потенциала коллектора (при нарастании тока) по цепи обратной связи передается на базу транзистора с некоторым запаздыванием τ, определяемым параметрами RC–цепочки обратной связи. Увеличение потенциала базы, в свою очередь, вызывает уменьшение коллекторного тока и тем самым снижение потенциала коллектора. Изменение потенциала коллектора с запаздыванием τ через цепь обратной связи изменяет потенциал базы, но на этот раз снижает его. В результате коллекторный ток увеличивается, вызывая с запаздыванием τ повышение потенциала базы. Этим завершается один период колебательного процесса и начинается новый.

Колебания будут  незатухающими, если входной сигнал, пройдя усилитель и частично вновь  вернувшись по цепи обратной связи  на его вход, окажется в первоначальной фазе (условие баланса фаз) с амплитудой (энергией), способной покрыть потери на активных элементах (условие баланса  амплитуд). Условием синусоидальности колебаний является равенство коэффициента положительной обратной связи критическому значению β_кр =1/К. При β > β_кр синусоидальность формы генерируемого напряжения искажается, так как при этом ухудшаются избирательные свойства по первой гармонике.

RC–генераторы бывают со сдвигом фазы в цепи ПОС (с фазирующей цепочкой) и без сдвига фазы.

RC–генератор  с фазосдвигающей  цепочкой

Поворот сигнала  определенной частоты в цепи ПОС на ±180° осуществляется с помощью различных RC–цепочек – это трехзвенные и более цепи: R–параллель и С–параллель.

На рис. 4.3, а показан генератор с фазосдвигающей RC–цепочкой (обведена пунктиром), состоящей из трех Г–образных звеньев. Трехзвенная RC–цепочка при некоторой частоте ω₀, называемой частотой квазирезонанса, осуществляет сдвиг входного сигнала на 180°.

Рисунок 4.3 – RC–генератор с поворотом фазы:

а – схема; б – амплитудно-частотная характеристика  

На рис. 4.3, б показаны амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики рассматриваемой RC–цепочки. При частоте квазирезонанса 

для C–параллель

 

Коэффициент передачи напряжения RC–цепочки (коэффициент обратной связи по напряжению по отношению к усилителю) β = 1/29. Частоту генерированных колебаний можно регулировать одновременным изменением одинаковых сопротивлений резисторов R или емкостей конденсаторов С. Регулировать коэффициент усиления К можно изменением сопротивления нагрузки R_н.

При β>К_кр колебания становятся не синусоидальными, а при β<К_кр они затухают.

Амплитуду колебаний  ограничивают введенным в цепь эмиттера или каскада терморезистором, сопротивление  которого возрастает с увеличением  тока.

Для четырехзвенных цепей β = 1/18,4; – увеличение для R–параллель и – для С–параллель.

Количество  звеньев только усложняет схему, не прибавляя их эффективность. Оптимальным  является трехзвенная цепь. 

RC–генератор  без поворота фазы  в цепи обратной  связи

Если усилитель  поворачивает фазу входного сигнала  на 2π, то при выполнении условия баланса амплитуд он может генерировать незатухающие колебания. Условия баланса фаз при этом будут выполняться для ряда частот, а колебания будут иметь не синусоидальную форму. Для получения колебаний синусоидальной формы звено обратной связи должно обеспечивать условие баланса фаз только для одной частоты.

Такое звено на частоте  квазирезонанса w₀ должно иметь нулевой сдвиг фаз и максимальное значение коэффициента передачи напряжения. На рис. 4.4, а показана такая цепь, а на рис. 4.4, б – ее амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Наличие максимума коэффициента передачи подтверждается следующим: на низкой частоте емкостное сопротивление конденсатора С₁ много больше сопротивлений резисторов R₁ и R₂ и выходное напряжение цепи близко к нулю; с ростом частоты емкостное сопротивление С₁ падает, а напряжение на выходе цепи растет; на очень высоких частотах емкостное сопротивление конденсатора С₂ шунтирует резистор R₂ и выходное напряжение опять мало. При условии R₁= R₂= R и С₁= С₂= С   

и   
 

Схема RC–генератора с рассмотренной избирательной RC–цепочкой показана на рис. 4.4, в.  

Рисунок 4.4 – RC–генератор без поворота фазы: а – схема частотно-избирательной цепи;

б – аплитудно-частотная и фазочастотная характеристики; в – схема генератора

Частота генерации  будет определяться частотно-зависимой  цепочкой:

.

RC-генератор  синусоидальных колебаний

 RC генераторы используют для задания частоты резистивно-емкостную цепь. Существуют два основных типа RC генераторов синусоидальных колебаний: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. 

Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей RC цепью обратной связи.

Обратная  связь должна сдвигать фазу сигнала  на 180 градусов. Так как емкостное  сопротивление изменяется при изменении  частоты, то эта компонента чувствительна  к частоте. Стабильность улучшается при уменьшении величины фазового сдвига на каждой RC цепочке. Однако, на комбинации RC цепочек имеют место потери мощности. Транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления для компенсации этих потерь.

Генератор на основе моста Вина — это двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.

Цепь опережения-запаздывания состоит из последовательной (R₁C₁) цепочки и параллельной (R₂C₂) цепочки. Схема называется цепью опережения- запаздывания потому, что выходное напряжение на некоторых частотах опережает входное напряжение по фазе, ана некоторых частотах отстает от него. На резонансной частоте сдвиг фаз равен нулю и выходное напряжение максимально. Резисторы R₃ и R₄ образуют цепь делителя напряжения, используемого для отрицательной обратной связи. Положительная обратная связь подается на базу, а отрицательная обратная связь на эмиттер генераторного транзистора Q_r Выход транзистора Q_t через емкость связан с базой транзистора Q₂, который усиливает напряжение и сдвигает его по фазе на 180 градусов. Выход транзистора Q₂ связан с мостовой цепью.

На рисунке  изображен мостовой генератор Вина на интегральной микросхеме.

Инвертирующий и неинверти- рующий входы операционного усилителя идеальны для использования в генераторе на основе моста Вина. Усиление операционного усилителя высокое, что компенсирует все потери в цепи.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если резики R1 и R2 заменить переменным, но только сдвоенным, то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации. Можно и кондеры С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резиком плавно регулировать частоту в диапазонах. Для тех, кто в танке, почти практическая схема генератора с мостом Вина показана на рисунке 4. 

 

Рис. 4 - RC-генератор  с мостом Вина 
 
 
 

Примеры RC генераторов

Генератор Г3-112 Генераторы RC-типа

• Дизель-генератор RC-600-800GF

 

Генератор Г3-106- малогабаритный портативный генератор RC-типа

                             

RC-генератор 
 
 

Бензо-генератор серии EP5000CX RC