Цепь с двумя генераторами

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

• главная
• инфо
• блог
• словарь электромеханика
• электроника
• крюинговые компании
  • Одесса/Odessa
  • Николаев/Nikolaev

• Обучение
  • Предметы по специальности
    • АГЭУ
    • АСЭЭС
    • Диагностика и обслуживание судовых технических средств
    • Мехатронные системы
    • Микропроцессоры
    • Моделирование электромеханических систем
    • МПСУ
    • САЭП
    • САЭЭС
    • СДВС
    • СИВС
    • Силовая электроника
    • Судовые компьютерные ceти
    • СУЭ и ОСУ
    • ТАУ
    • Технология судоремонта
    • ТЭП
    • ТЭЭО и АС
  • Общие предметы
    • Безопасность жизнедеятельности
    • Высшая математика
    • Ділова українська мова
    • Интеллектуальная собственность
    • Культурология
    • Материаловедение
    • Охрана труда
    • Политология
    • Системы технологий
    • Судовые вспомогательные механизмы
    • Судовые холодильные установки
  • I курс
    • конспекты
    • ргр
    • контрольные
    • лабораторные
    • курсовые
    • зачёты
    • экзамены
  • II курс
    • конспекты
    • ргр
    • контрольные
    • лабораторные
    • курсовые
    • зачёты
    • экзамены
  • III курс
    • конспекты
    • ргр
    • контрольные
    • лабораторные
    • курсовые
    • зачёты
    • экзамены
  • IV курс
    • конспекты
    • ргр
    • контрольные
    • лабораторные
    • курсовые
    • зачёты
    • экзамены
  • V курс
    • конспекты
    • ргр
    • контрольные
    • лабораторные
    • курсовые
    • зачёты
    • экзамены
• Теория
  • английский
  • интернет-ресурсы
  • литература
  • тематические статьи
• Практика
  • типы судов
  • пиратство
  • видеоуроки
• мануалы
• морской словарь
• технический словарь
• история
• новости науки и техники
  • авиация
  • автомобили
  • военная техника
  • робототехника

04.10.2014

Параллельная работа генераторов переменного тока

Параллельная работа генераторов переменного тока требует соблюдения более сложных условий, чем параллельная работа генераторов постоянного тока.

Для включения синхронного генератора параллельно с другим необходимо:

1) равенство напряжений работающего и подключаемого генераторов;
2) равенство их частот;
3) совпадение порядка чередования фаз;
4) равенство углов сдвига между э. д. с. каждого генератору и напряжением на шинах.

Последнее условие сводится к геометрически одинаковому наложению роторов генераторов относительно обмоток своих статоров.

Процесс приведения генераторов в такое состояние, при котором все перечисленные условия будут выполнены, называется синхронизацией генераторов.

Если генераторы синхронизированы, то включение их на параллельную работу протекает спокойно, без появления в системе каких-либо дополнительных толчков тока. Если хотя бы одно из условий не выдержано, то между генераторами появляются значительные уравнительные токи, которые не позволяют осуществить параллельную работу генераторов, а в некоторых случаях могут даже вызвать их повреждение.

Рассмотрим параллельную работу двух синхронных генераторов.

Если генераторы одинаковы, электродвижущие силы и скорости вращения их равны, то при отсутствии внешней нагрузки (т. е. при холостом ходе) в цепи обмоток статоров генераторов тока не будет, так как э д. с. взаимно уравновешиваются.

При включении внешней нагрузки оба генератора начнут отдавать одинаковую, мощность. При индуктивной нагрузке напряжение каждого уменьшится на одну и ту же величину, причем между э. д. с. генератора и его напряжением появится некоторый сдвиг, по фазе определяемый углом δ. Мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, пропорциональна этому углу.

Предположим, что мы увеличили возбуждение, а следовательно, и э. д. с. первого генератора и уменьшили возбуждение второго так, что общее напряжение генераторов осталось прежним.
Так как мощность, развиваемая первичными двигателями, осталась неизменной, то как общая мощность, так и мощности, отдаваемые каждым из генераторов, также не изменились. Не изменился и ток внешней нагрузки: I — общий и I/2 — для каждого генератора.

Вместе с тем, так как э. д. с. обоих генераторов уже не равны, то между генераторами появится уравнительный ток Iу, протекающий только по цепи генераторов. Распределение токов в этом случае показано на рис. 1.

Как видим, ток в первом генераторе будет равен геометрической сумме токов внешней нагрузки I/2 и уравнительного Iу, а во втором — геометрической их разности.

Индуктивные сопротивления обмоток статоров генераторов значительно больше их активных сопротивлений. В связи с этим уравнительный ток будет отставать от разности э. д. с. генераторов почти на 90°.

При этом условии при сложении токов в первом генераторе и вычитании их во втором результирующий ток будет отставать от напряжения в каждом генераторе на различный угол.

Иными словами, каждый из генераторов будет работать при своем коэффициенте мощности, отличном от коэффициента мощности внешней сети. Если активная мощность, потребляемая внешней нагрузкой, близка к суммарной мощности обоих генераторов, то у перевозбужденного генератора действующий ток превысит номинальный ток генератора, чего допускать нельзя (перегрузка по току).

Отсюда следует, что при параллельной работе синхронных генераторов необходимо стремиться к тому, чтобы все генераторы работали с одним и тем же коэффициентом мощности, равным коэффициенту мощности сети.

Предположим теперь, что не изменяя возбуждения воздействием на регулятор первичного двигателя первого генератора, мы увеличили ему подачу топлива. В этом случае первичный двигатель разовьет увеличенный вращающий момент, под влиянием которого ротор первого генератора забежит вперед относительно ротора второго генератора, вращаясь в дальнейшем с прежней синхронной скоростью. Вследствие расхождения по фазе электродвижущих сил генераторов в их цепи возникнет разность э. д. с., под влиянием которой появится уравнительный ток.

Но уравнительный ток по своей фазе будет почти совпадать с э. д. с. первого генератора, т. е. явится для него током нагрузки, и будет почти противоположным э. д. с. второго генератора (будет уменьшать его нагрузку). В этом случае каждый из генераторов будет нести нагрузку, пропорциональную вращающему моменту, развиваемую его первичным двигателем.

При этом полюса более нагруженного генератора будут в пространстве находиться впереди полюсов менее нагруженного. Последнее обстоятельство равносильно тому, что у более нагруженного генератора угол сдвига фаз между э. д. с. и напряжением δ1 больше, чем у менее нагруженного δ2.

Следует отметить, что параллельная работа синхронных генераторов проходит устойчиво только при определенных значениях угла δ. Наиболее устойчива она при угле δ, равном 0°, что соответствует холостой работе генераторов; при угле, равном 90°, генератор выпадает из синхронизма и параллельная работа становится невозможной.

Неизменность угла δ зависит от постоянства скорости вращения первичного двигателя. При колебании скорости вращения вследствие изменения нагрузки или по каким-либо другим причинам угол δ может измениться до недопустимой величины. Поэтому надежность и устойчивость параллельной работы синхронных генераторов в значительной мере зависит от качества работы регуляторов оборотов первичных двигателей.

Необходимое для перераспределения нагрузок генераторов дистанционное управление подачей топлива первичным двигателям обеспечивается применением регуляторов с серводвигателем или с электромагнитным приводом клапанов подачи топлива. При включении напряжения серводвигатель или соленоид открывает клапан подачи топлива или пара. Степень открытия клапана, а следовательно, и количество подаваемого топлива регулируется продолжительностью включения серводвигателя или числом включенных соленоидов.

У синхронных генераторов с самовозбуждением и саморегулированием напряжения величина тока возбуждения, зависит от тока в цепи статора. В свою очередь при параллельной работе синхронных генераторов изменение тока возбуждения генератора влияет на величину его реактивного тока. Отсюда вытекает, что при параллельной работе синхронных генераторов с самовозбуждением и саморегулированием напряжения необходимо принимать специальные меры для обеспечения правильного распределения реактивного тока между ними.

В качестве такого мероприятия у генераторов одинаковой мощности предусматривают уравнительное соединение между их обмотками возбуждения (на стороне постоянного тока), как это изображено на рис. 2.

При замыкании автоматов генераторов подается ток на катушки контакторов К1 и К2, подключающих обмотки возбуждения к уравнительным шинам.

В результате параллельного соединения обмоток возбуждения любое изменение возбуждения одного генератора отражается и на величине возбуждения второго. Поэтому распределение реактивного тока между ними сохраняется правильным.

При параллельной работе генераторов разной мощности, уравнительное соединение выполняется в цепях схемы регулирования напряжения на стороне переменного тока (рис. 3).

Электрическая цепь с двумя источниками

Электрическая цепь может содержать несколько источников или приемников электроэнергии. Такие цепи называются сложными, для расчетов основных величин в таких цепях применяют специальные методы.

На рисунке 1 приведена схема с двумя источниками ЭДС: E₁ и E₂. Источники имеют внутренние сопротивления r₁ и r₂. Нагрузка условно обозначена резистором с сопротивлением R. Так как в цепи отсутствуют разветвления, то ток во всех ветвях будет одинаков и равен I

Рис. 1. Схема электрической цепи с двумя источниками ЭДС

Для расчета сложных электрических цепей наряду с законом Ома применяются два закона Кирхгофа.

Одним из наиболее простых способов расчета цепи с двумя источниками ЭДС является метод наложения токов. Данный метод основан на аддитивном свойстве токов, согласно которому ток в цепи равен алгебраической сумме токов, создаваемых каждым источником питания независимо друг от друга. Это правило применимо для расчета любой линейной цепи (то есть цепи, в которой сопротивления всех участков постоянны).

Пусть в электрической цепи действует только один источник ЭДС E₁, тогда ток в цепи будет равен

Теперь положим обратную ситуацию: в электрической цепи действует только один источник ЭДС E₂, а источник E₁ присутствует, но не производит ток. Тогда ток в цепи будет равен

Два источника ЭДС в цепи направлены встречно, следовательно, суммарный ток I будет равен разности токов I₁ и I₂

Из свойства аддитивности токов можно сделать немаловажный вывод: если ЭДС E₁ и E₂ имеют встречное направление, и равны, то ток в цепи будет равен нулю

Если значения E₁ и E₂ различны, то в цепи возникает ток, направление которого совпадает с током, создаваемой «большим» ЭДС. Иными словами, если E₁ > E₂, то направление тока совпадает с ЭДС E₁, если E₁ E₂).

Электродвижущая сила E₂, направленная в противоположную току I сторону, называется встречной или противо-ЭДС.

Рассмотрим процессы и запишем основные зависимости, которые соответствуют каждому из участков цепи.

На участке ab имеется сопротивление источника ЭДС r₁, а действие самого источника совпадает с направлением тока I. Следовательно указанный источник работает в режиме генератора (источника энергии). Таким образом, ЭДС источника равна сумме напряжения на его выводах и внутреннего падения напряжения

Согласно записанному выше выражению,

Иными словами, напряжение на выводах источника, отдающего энергию в цепь, равно разности ЭДС источника и внутреннего падения напряжения.

Согласно закону Ома, на участке bc падение напряжения равно

Кроме того, следует отметить, что на участке bc электрическая энергия преобразуется в тепловую, при этом происходит выделение мощности, равной

На последнем рассматриваемом участке ca источник ЭДС E₂ действует против направления тока I. Источник имеет сопротивление r₂. На данном участке имеется потеря мощности (нагрев), равная r₂ ⋅ I 2 . Кроме того, источник ЭДС создает собственную мощность E₂⋅ I, направленную на преодоление сил встречной ЭДС. Получается, что источник с противо-ЭДС работает в цепи как потребитель (приемник).

Мощность, выделяемая на участке ca равна

Cледовательно, напряжение на этом участке равно

На основании записанного выше выражения можно сделать вывод, что напряжение на вывод источника, работающего в режиме противо-ЭДС равно сумме самого ЭДС и внутреннего падения напряжения на нем.

Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний.

Генераторы синусоидальных колебаний.

T ремя основными типами электронных генераторов сигналов синусоидальной формы являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.
LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соедененных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. LC генераторы используют в основном, в диапазоне радиочастот. На низких(звуковых) частотах удобнее применять RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используются резистивно — емкостная цепь.

LC генераторы синусоидальных колебаний.

Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.

Генератор Хартли.

В генераторе Хартли, или как еще называют эту схему — индуктивной трехточке положительная обратная связь, необходимая для возникновения колебаний берется с отвода катушки индуктивности(L1 — L2) колебательного контура.

Генератор Колпитца.

В генераторе Колпитца (емкостной трехточке) положительная обратная связь снимается с средней точки составной емкости(C1 — C2) колебательного контура. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли и более часто используется. Когда требуется высокая стабильность, используют кварцевые генераторы.

Кварц — это материал, способный преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Если к кристаллу кварца приложить переменное напряжение, он начнет колебаться, в такт с его частотой. Каждый кристалл обладает собственной резонансной частотой, зависящей от его размеров и структуры. Чем ближе частота приложенного напряжения, к резонансной частоте, тем выше интенсивность колебаний. Для изготовления кварцевого резонатора на кристаллическую пластинку кварца наносят металлические электроды.

Схема кварцевого генератора Хартли с параллельной обратной связью.

Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, волновое сопротивлние(импенданс) кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром. Колебательный контур возвращается на частоту кварца.

Генератор Пирса.

Очень популярная схема, поскольку в ней не используются катушки индуктивности.

Верхний предел резонанса кварца составляет 25 МГц. Если необходим стабильный генератор на более высокой частоте используют схему Батлера. Колебательный контур настраивается на частоту кварца или на частоту одной из его нечетных гармоник (третьей или пятой).

RC генераторы синусоидальных колебаний.

RC генераторы используют для задания частоты резисивно — емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Частота генератора рассчитывается по формуле.

R в этой формуле — значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые). C — это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)

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

Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше. Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 — примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.

Где C — номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления — R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно — 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний в больших пределах.

Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы различной емкости, в качестве С1, С2 и С3. Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности — для настройки различных усилительных каскадов.

Генераторы несинусоидальных колебаний.

Генераторы несинусоидальных колебаний применятся для создания периодических электрических сигналов произвольной формы – прямоугольной, пилообразной или треугольной формы.

Блокинг – генератор.

Пока конденсатор заряжен — транзистор закрыт. Но конденсатор постепенно разряжается через резистор и запирающее напряжение исчезает. Транзистор начинает приоткрываться — появляется ток в цепи обмотки трансформатора, соответственно на вторичной обмотке возникает напряжение способствуещее лавинообразному открыванию транзистора.
Транзистор переходит в режим насыщения — конденсатор заряжается через переход эмиттер – база, напряжение в вторичной обмотке падает до нуля. Транзистор запирается, после чего процесс повторяется снова и снова.

Очень часто, схему блокинг — генератора используют в различных устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный. Это — различные импульсные блоки питания, вариации которых встречаются в современной аппаратуре очень широко. Преобразователи постоянного тока в переменный, с повышением выходного напряжения — являются основой целого ряда устройств, разной степени полезности — от портативного мегаомметра, до карманного электрошокера.

Мультивибратор.

Мультивибратор — генератор импульсов формы близкой к прямоугольной. Его основу составляют два усилительных каскада связанных между собой так, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого. Получается, что они по очереди запирают друг друга. Частота зависит от емкости конденсаторов, и величины сопротивления резисторов, через которые осуществляется их разряд.

Мультивибратор можно легко собрать, используя широко распостраненные детали, на абсолютно любых биполярных транзисторах. Кроме основной частоты рассчитываемой по формуле:

мультивибратор вырабатывает большое количество дополнительных гармоник. Если применив высокочастотные транзисторы собрать мультивибратор с основной частотой в звуковой области(лучше около 1000 гц), то частоты высших гармоник оказываются в какой то степени, промодулированными на этой, основной частоте. Получается, что подобный генератор может использоваться как универсальный пробник, для проверки как радиочастотных усилительных трактов, так и каскадов усиления низкой(звуковой) частоты.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Генераторы: ёмкостная трёхточка, индуктивная трёхточка, а также
LC-генераторы на транзисторах, работающих в барьерном режиме.
Принципиальные схемы, онлайн калькуляторы для расчёта элементов генераторов.

Целью нашей сегодняшней тактической подготовки будет сопровождение целей под названием «Высокочастотные автогенераторы на LC-цепях».
Содержание учений включает организованное выдвижение сил с массированными ударами и групповыми манёврами. Общее направление манёвров — расчёт частотозадающих цепей, ёмкостных делителей и режимов работы схем транзисторных LC генераторов и гетеродинов.

Для начала определимся с доктриной: «Генератор (гетеродин) — жизненно важный орган любого передатчика или радиоприёмника. От того, насколько спектрально чисто и стабильно он работает, зависят основные параметры приёмо-передающих трактов».

Обсуждаемые на этой странице генераторы, использующие комбинацию индуктивности L и ёмкости C, называемые LC-генераторами, весьма полезны при необходимости поиметь в радиолюбительском хозяйстве перестраиваемый по частоте аналоговый генератор, т.е. генератор без применения цифровых и микропроцессорных излишеств.

Схема, приведённая на Рис.4, является модификацией предыдущей схемы.
Дополнительная цепь стабилизации С2 D1, детектирует поступающие на затвор колебания и создаёт отрицательное смещение при возрастании их амплитуды. Это смещение, в свою очередь, сдвигает рабочую точку транзистора на участок характеристики с меньшей крутизной, и усиление уменьшается.
Значение номинала конденсатора С* следует подбирать при настройке, исходя из минимальной величины, при которой сохраняется устойчивая работа генератора во всём интересующем нас диапазоне.

Сигнал с максимальной амплитудой и минимальным количеством гармоник следует снимать с верхнего по схеме вывода катушки индуктивности (с нижнего для Рис.2) посредством каскада с высоким входным сопротивлением (предпочтительно на полевом транзисторе).

Перейдём к расчётам элементов генераторов и начнём с определения значений ёмкостей конденсаторов, определяющих глубину положительной обратной связи в схемах ёмкостных трёхточек.
Оказалось, что посчитать эти значения теоретически не так уж и просто. Похоже, информация эта схоронилась в секретных лабораториях ЦРУ и Пентагона, а потому поначалу было решено действовать по старинке — воспользоваться заведомо рабочей схемой и масштабировать значения ёмкостей пропорционально изменению диапазона частот генерации.
— Я знаю! — похлопал меня по плечу седовласый старик, протягивая мне жёлтую книжицу «Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М, Мир, 1990.»
— Спасибо, дядя Эрик, — стыдливо промямлил я, вспоминая, сколько же раз перелистовал её в поисках нужной информации, а вот так, чтобы внимательно, от корки до корки, как-то не задалось.

Всё оказалось довольно просто: f≈[0,1-200] МГц ; X_C3≈X_C4≈50 Ом ; X_C2≈100 Ом , (см. Рис.1), где X_C — реактивные сопротивления конденсаторов на частоте генерации. Вот теперь можно смело переходить к расчётам.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА КОНДЕНСАТОРОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ЁМКОСТНЫХ ТРЁХТОЧЕК.

Если предполагается, что генератор должен выполнять функцию перестраиваемого по частоте гетеродина, то в качестве частоты генерации F следует выбирать среднюю частоту диапазона перестройки.
Не стоит рассчитывать, что данные типы генераторов обеспечат значительную величину этого диапазона. Как правило, фазовый баланс при выбранных значениях ёмкостного делителя обеспечивает устойчивую работу устройства в пределах октавного изменения (в 2 раза) рабочих частот.

Теперь осталось только рассчитать значения контурных конденсаторов С1. Причём, если для схем, приведённых на Рис.(3-5) всё просто — F= 1/2π√ LС , то для ёмкостных трёхточек (Рис.1-2) в качестве частотозадающей ёмкости С выступает параллельно-последовательное соединение нескольких конденсаторов С1-С4 (Рис.1), либо С1-С3 (Рис.2).

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛА КОНТУРНОГО КОНДЕНСАТОРА С1.

Если в схеме отсутствует тот или иной элемент — оставляйте соответствующие поля незаполненными.

Приведённые расчёты являются приблизительными, так как не учитывают влияний паразитных ёмкостей: катушек, монтажа и переходов полупроводников.

Два генератора на КМОП микросхеме

В экспериментах с широко распространенной КМОП микросхемой К176ЛА7 автору удалось реализовать два простых генератора, которые мы предлагаем читателям.

В радиолюбительской практике нередко возникает потребность в высокостабильном генераторе, а кварцевого резонатора с нужной рабочей частотой найти не удается. Если есть резонатор с более высокой частотой, то можно, например, сделать генератор с кварцевой стабилизацией частоты, а затем с помощью делителя понизить ее до нужной величины. Для такого устройства требуется обычно не менее двух микросхем. Между тем, когда в распоряжении радиолюбителя имеется резонатор с рабочей частотой в три раза выше требуемой, решить проблему можно гораздо проще. В генераторе, схема которого показана на рис. 1, автор использовал кварцевый резонатор на частоту 500 кГц, а прямоугольные колебания на выходе генератора имели частоту 166,(6) кГц. Можно взять резонаторы и на другие частоты (от десятков кГц до нескольких МГц), но при этом придется экспериментально подобрать конденсатор С1 и резистор R1. (Чем выше частота, тем номиналы должны быть меньше, и наоборот).

Но как же работает такой генератор, если на частотах ниже основной никаких резонансов у кварца нет? А дело в том, что в приведенном на рис. 1 RC-генераторе есть все условия для самовозбуждения. Действительно, параллельная емкость кварца и кварцедержателя образует цепь положительной обратной связи, а резистор R1 замыкает цепь ООС по постоянному току, которая обеспечивает линейный режим работы двух первых элементов микросхемы DD1. Подбирая резистор R1 и конденсатор С1, устанавливают частоту генератора чуть ниже, чем рабочая частота кварцевого резонатора, разделенная на три. Крутые фронты прямоугольных импульсов возбуждают резонатор на ого основной частоте. Возникающее на его выводах напряжение с частотой 500 кГц синхронизирует RC-генератор, причем очень жестко, с точностью до фазы.

Все это можно наблюдать с помощью осциллографа, подключив щуп с малой входной емкостью (чтобы не нарушить работу генератора) к правому по схеме выводу кварцевого резонатора. На экране видно, как на прямоугольные колебания с частотой 166,(6) кГц накладываются меньшие по амплитуде синусоидальные колебания с частотой 500 кГц. Полоса синхронизации описанного генератора довольно велика, поэтому такие дестабилизирующие факторы, как изменения в некоторых пределах напряжения питания, температуры и номиналов элементов, практически не влияют на его работу. Стабильность же его частоты целиком определяется использованным кварцевым резонатором.

Другой генератор, в отличие от только что описанного, обладает очень широким диапазоном перестройки, и здесь о стабильности частоты говорить уже не приходится — она полностью (зависимость от температуры не исследовалась) определяется стабильностью управляющего напряжения. Схема генератора приведена на рис. 2. В нем установлен только один блокировочный конденсатор, который препятствует проникновению колебаний генератора в цепь управления частотой и защищает ее от внешних наводок. В работе собственно генератора он не участвует. Все элементы микросхемы соединены последовательно, на трех первых из них собран генератор, а на четвертом -выходной буферный каскад.

Цепь обратной связи образована резистором R1, по постоянному току она отрицательная и поэтому обеспечивает линейный режим работы элементов генератора. В каждом из них сигнал задерживается на определенное время, причем длительность этой задержки сильно зависит от напряжения питания — чем оно выше, тем задержка меньше. Сдвиг фазы колебаний пропорционален произведению времени задержки на частоту. На достаточно высокой частоте сдвиг фазы в каждом элементе микросхемы достигает 60, а на всех трех — 180°. В результате ООС превращается в положительную и на этой частоте генератор возбуждается. При увеличении напряжения питания с 3 до 12 В частота генератора изменяется примерно от 300 кГц до 6 МГц, т. е. в 20 раз. Потребляемый ток возрастает при этом от долей миллиампера до 2 мА. Чтобы генератор перекрыл, например, средневолновый диапазон (500. 1600 кГц), напряжение питания должно измениться всего от 3,5 до 5 В. Диапазон частот можно изменить подбором резистора R1.

Достоинство описанного генератора — его исключительная простота, а основной недостаток — сильная зависимость выходного напряжения от частоты.

Конструкции генераторов. Примеры схем

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний.
Самые очевидные использования генераторов, например, в качестве источников синусоидальных сигналов, каких-либо функций, импульсов.
Источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы. Вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ, почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с «многократным отображением») и во множестве других устройств, слишком многочисленных, чтобы их здесь перечислять.

Устройство без генератора либо вообще ни на что не способно, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор). Не будет преувеличением сказать, что генераторы являются таким же необходимым устройством в электронике, как регулируемый источник питания постоянного тока.

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов («часы» в цифровой системе). От него может потребоваться стабильность и точность (например, опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приемника) или способность генерировать колебания в
точности заданной формы (как например, генератор горизонтальной развертки осциллографа).

Релаксационный генератор

Очень простой генератор можно получить несложными манипуляциями. Зарядим конденсатор через резистор (или источник тока), а затем, когда напряжение достигнет некоторого порогового значения, быстро его разрядим и начнем цикл сначала. Это можно сделать с помощью внешней цепи, обеспечивающей изменения полярности тока заряда при достижении некоторого порогового напряжения. Следовательно, будут генерироваться колебания треугольной формы, а не пилообразные. Генераторы, построенные на этом принципе, известны под названием «релаксационные генераторы». Они просты и недороги и при умелом проектировании могут обеспечивать удовлетворительную стабильность по частоте.

Раньше для создания релаксационных генераторов применялись устройства с отрицательным сопротивлением, такие, как однопереходные транзисторы или неоновые лампы. Теперь предпочитают ОУ или специальные интегральные схемы таймеров. На рисунке показан классический релаксационный RС-генератор.

Работает он просто. Допустим, что при начальном включении питания выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет — неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения U + с постоянной времени, равной RC. Когда напряжение на конденсаторе достигнет половины напряжения источника питания, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта). Конденсатор начинает разряжаться до U- с той же самой постоянной времени. Этот цикл повторяется бесконечно, с периодом 2,2 RС. Цикл не зависит от напряжения источника питания.

Применяя для заряда конденсатора источники тока, можно получить колебания хорошей треугольной формы. Пример удачной схемы (datasheet СА3160):

Иногда необходим генератор с очень низким уровнем шума (так называемый «низкий внеполосный шум»). В этом отношении хороша простая схема, показанная на рисунке:

В схеме используется пара КМОП-инверторов (в виде цифровых логических схем). Соединение инверторов между собой образует некоторую разновидность RC релаксационного генератора с выходным сигналом в виде прямоугольного колебания. Измерения, проведенные для этой схемы, работающей на частоте 100 кГц, показали, что плотность мощности шума в ближайшей боковой полосе ниже, по крайней мере, на 85 дБ уровня основного колебания. Иногда встречается аналогичная схема, в которой заменяют местами элементы R2 и С. Хотя это и превосходный генератор, но он уже имеет крайне зашумленный выходной сигнал.

Представленная на рисунке ниже схема имеет даже более низкий уровень шума.

Кроме того, имеется возможность модулировать выходную частоту с помощью внешнего тока, прикладываемого к базе транзистора Т1. В этой схеме транзистор Т1 функционирует как интегратор. На коллекторе Т1 вырабатывается сигнал асимметричной треугольной формы. Сами же инверторы работают в качестве неинвертирующего компаратора. Изменяют полярность возбуждения на базе каждые полпериода. Эта схема имеет плотность шума — 90 дБД/Гц, измеренную на частоте 100Гц смещения от несущего колебания 150 кГц, и —100 дБД/Гц, измеренную при смещении 300 Гц. Эти схемы превосходны в отношении уровня бокового шума. Но генерируемая частота имеет большую чувствительность к колебаниям напряжения источника питания.