Генератор релаксационных колебаний

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ГЕНЕРАТОР РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Лабораторная работа № 3

ГЕНЕРАТОР РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Цель работы: ознакомление с общими принципами построения генераторов, изучение генераторов различных типов.

Приборы и принадлежности:

1. Блокинг-генератор, мультивибратор на транзисторах и лампах.

2. Выпрямитель ВУП-2.

3. Низковольтный выпрямитель.

4. Осциллограф.

5. Динамик.

Подготовка к работе:

Повторить по лекциям материал главы 5 §§ 1, 2, 4.

Ответить на вопросы:

1. Как формируются общие условия самовозбуждения всех автогенераторов?

Записать баланс амплитуд и фаз, раскрыть их физический смысл.

2. Какие отличия в принципах работы генераторов синусоидальных и

релаксационных колебаний?

3. Какие характерные особенности имеют схемы мультивибраторов и блокинг-

генераторов?

4. Какую форму имеют колебания релаксационных генераторов? Объясните форму

импульсов.

5. Где применяются генераторы релаксационных колебаний?

Краткая теория

В лекционном курсе излагается общий метод анализа работы автогенераторов, релаксационные генераторы при этом рассматриваются как частный случай.

В данной работе дается более подробное изложение принципов работы генераторов разных типов. При этом, в дополнение к амплитудным и частотным характеристикам (рассмотренным в лекции) генераторов, дается анализ процессов во времени.

БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР

Блокинг-генератором называется однокаскадный релаксационный генератор с
сильной обратной связью (ПОС), которая создается с помощью импульсного
трансформатора. Преимущество блокинг-генератора ‒ способность создавать
сравнительно мощные импульсы по форме близкие к прямоугольным при
относительно простой схеме.

Недостатком генератора является наличие трансформатора, и в связи с этим трудность миниатюризации схемы.

Существуют различные схемы блокинг-генераторов. Общими элементами всех схем является наличие усилителя (лампа, транзистор), работающего в нелинейном режиме, и устройств ПОС трансформатора.

Рассмотрим работу генератора, собранного на транзисторах по схеме с общим эмиттером (рис.1). Работу блокинг-генератора можно разделить на два этапа. На первом, занимающую большую часть периода, транзистор закрыт. На втором - транзистор открыт, и происходит формирование импульсов (рис.2). При подключении схемы к источнику питания в коллекторной цепи возникает ток. Увеличение тока в начальный момент t₁ в обмотке W_k приводит к появлению во вторичной обмотке W₆ напряжения, которое создает отрицательный потенциал на базе (если обмотки W₆ и W_k включены не правильно, то генерация невозможна Необходимо поменять местами концы одной из обмоток). Транзистор открывается, коллекторный ток еще более взрастает, отрицательный потенциал базы увеличивается и т.д. Так возникает лавинообразный процесс, который длится сотые доли микросекунды. Транзистор полностью открывается, т.е. входит в режим насыщения, напряжение на коллекторе U_k уменьшается, при этом формируется передний фронт импульса В режиме насыщения через W_k протекает постоянный ток, транзистор утрачивает усилительные свойства, в результате ПОС нарушается. На отрезке t₁ – t₂ формируется вершина импульса. Отрицательный потенциал U₆ за счет ЭДС индукции вторичной обмотки W₆ и разряда конденсатора С через открытый транзистор и W₆ не уменьшается до нуля мгновенно, а уменьшается постепенно. Транзистор остается открытым.

В момент времени t₂ потенциал U₆ падает до нуля, транзистор начинает закрываться. В обмотке W₆ ЭДС меняет знак, потенциал базы становится положительным. Транзистор вновь приобретает усилительные свойства. За счет обратной связи образуется лавинообразный процесс, который приводит к запиранию транзистора. При этом формируется задний фронт импульса Ток коллектора становится равным нулю. Напряжение на коллекторе примерно равно Е_к. Конденсатор С перезаряжается, на отрезке t₂ – t₃ потенциал U₆ медленно убывает, т.к. конденсатор С разряжается не через закрытый транзистор, а через резистор R₆. Интервал между импульсами приблизительно равен периоду колебаний, т.к. t₃ – t₂ t₂ – t₁ и определяется приближенно как Т = /3-5/ R₆С. По мере уменьшения положительного потенциала базы до нуля процесс повторяется.

Диод Д шунтирует обмотку W_k с во время закрывания транзистора, т.к. ЭДС самоиндукции обмотки W_k велика и возникает опасность пробоя коллекторного перехода транзистора Выходной сигнал блокинг-генератора обычно снимается с дополнительной обмотки трансформатора или с резистора, включенного в цепь эмиттера

МУЛЬТИВИБРАТОР

Мультивибратором называется релаксационный автогенератор прямоугольных импульсов, представляющий собой двухкаскадный RС-усилитель со 100% ПОС.

Принципиальная схема мультивибратора на двух транзисторах, включенных по схеме с ОЭ, показана на рис.3.

Если для элементов схемы выполняется условие R_1k = R_2k = R_k, R₁ = R₂ = R, С₁ = С₂ =С, R» R_k, то такой мультивибратор называется симметричным. В реальных схемах абсолютной симметрии достичь невозможно.

Генератор обладает двумя состояниями квазиравновесия: в одном состоянии Т₁ закрыт, а Т₂ в состоянии насыщения, в другом наоборот.

Цикл работы мультивибратора состоит из быстрых и медленных процессов. Быстрые процессы - переходы транзистора из одного состояния в другое, когда Т₁ и Т₂ оба работают в режиме усиления между ними существует ПОС. В стадии медленных процессов происходит заряд и перезаряд конденсаторов, при этом один из транзисторов закрыт, а другой насыщен. В этом случае ПОС отсутствует.

Работа мультивибратора в общих чертах может быть описана следующим образом. Пусть при включении питания в схеме существует состояние равновесия, т.е. коллекторные токи равны. Длительно это состояние существовать не может из-за флуктуации и несимметричности схемы. Предположим, что в момент времени t₁ коллекторный ток I_k1 транзистора Т₁ несколько возрастает. Тогда напряжение на коллекторе U_k1 уменьшается, т.е. потенциал его становится более положительным (рис. 4). Повышение потенциала через С₂ передается на базу Т₂, коллекторный ток I_k2 уменьшается, напряжение U_k2 возрастает по модулю, т.е. потенциал коллектора становится более отрицательным. Через С₁ уменьшение потенциала передается на базу Т₁, что приводит к еще большему увеличению I_k1 и т.д., в результате Т₁ полностью откроется, а Т₂ - закроется. Из-за ПОС этот процесс происходит очень быстро. Усилительные свойства транзисторов в конце процесса теряются и ПОС прекращается. Конденсатор С₁ будет полностью разряжен через открытый транзистор Т₁, а С₂ - заряжен до напряжения Е_к.

Далее в интервале t₁ – t₂ С₁ заряжается через R_k2, а С₂ разряжается сравнительно медленно через большое сопротивление R₂. В момент времени 12 потенциал правой обкладки С₂ становится близким к нулю, транзистор Е₂ начинает открываться, и в схеме мультивибратора начинается лавинообразный переброс, в результате которого Т₁ оказывается закрыт, а Т₂ - открыт. Процессы зарядки и перезарядки конденсаторов будут чередоваться, создавая незатухающие колебания в мультивибраторе.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ СХЕМ.

· Блокинг-генератор собран на печатной плате по схеме, показанной рис.5. В отличие от схемы, рассмотренной ранее (рис.1) в цепь эмиттера введена нагрузка R₃, а также предусмотрен резистор R₁ для регулирования периода колебаний и вместо С включено.два конденсатора С₁ и С₂. Подключение или отсоединение С₂ позволяет изменять длительность импульса.

· Мультивибратор на транзисторах собран по схеме рис.6. Резистор R₂ позволяет регулировать частоту колебаний. R₆ - нагрузка для транзистора Т₂. Напряжение с R₆ поступает на базу Т₃, в цепь коллектора которого включена лампочка накаливания Л. Транзистор Т₃ выполняет функцию бесконтактного реле. На рис.7 приведена схема симметричного мультивибратора на двойном триоде. Параметры схемы выбраны так, чтобы частота колебаний была достаточно велика для наблюдения процессов с помощью осциллографа.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.

1. Подключить источник питания к блокинг-генератору, параллельно R₃ включить динамик. Вращая ползунок R₁, наблюдать изменение частоты колебаний. (рис.5)

2. Отсоединить динамик. Подключить осциллограф параллельно нагрузке. Зафиксировать изменение формы сигнала при вращении R₁.

3. При постоянном значении R₁ сравнить форму сигнала на нагрузке и на базе транзистора (корпус транзистора). Зарисовать осциллограммы.

4. Зафиксировать изменение формы сигнала при изменении емкости, подключая и отсоединял С₂.

5. Собрать схему мультивибратора на транзисторах. Вращая ползунок R₂,

наблюдать изменение частоты мигания лампочки. (рис.6)

6. Собрать схему лампового мультивибратора, используя следующие значения величин: R₁ = R₄ = 20 кОм, С₁= С₂ = 1000 пФ,

R₂ – R₃ = (30-120) кОм. Подключить напряжение накала и анода, наблюдать осциллограммы сеточных и анодных напряжений для обеих ламп. Зарисовать осциллограммы с учетом фазовых сдвигов.

7. Рассчитать период и частоту колебаний по формуле:

производя соответствующие измерения. Оценить частоту колебаний с помощью осциллографа. Сравнить экспериментальные данные с результатами расчетов.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

Отчет должен содержать принципиальные схемы и схемы лабораторных стендов, результаты наблюдений, расчеты и выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Объясните общие и отличительные признаки работы мультивибраторов и блокинг-генераторов, характерные особенности схем.

2. Объясните последовательность процессов, протекающих во времени в генераторах обоих типов, используя принципиальные схемы и форму колебаний.

3. Какие элементы схем определяют частоту колебаний?

4. Приведите примеры применения релаксационных генераторов в конкретных устройствах.

5. По аналогии со схемой мультивибратора на транзисторах объясните характер процессов в ламповых мультивибраторах.

ЗАДАНИЕ ПО УИРС.

1. Соберите схему генератора релаксационных колебаний не неоновой лампе.

2. Получите на осциллографе пилообразные колебания. Определите частоту колебаний в крайних положениях движка переменного резистора.

3. Объясните принцип работы генератора. Приведите примеры его применения.

Рис. 1

Рис. 2

Рис.3

(RC – генератор)

Рис. 4

Рис.5

Рис.6

Рис.7