4.1 Zptnovazební oscilátory sinusového prbhu naptí

Transkript

1 4 Osciláory Nezpracovávají žádný vsupní signál, ale jsou sami zdrojem sídavých signál. Ze sejnosmrného napájecího napí vyváejí napí sídavá. Druh osciláor je mnoho. Podle principu innosi se rozdlují na osciláory zpnovazební (základem je zesilova s vhodn zavedenou kladnou zpnou vazbou) a na osciláory s prvkem se záporným diferenciálním odporem. Podle prbhu vyrábného napí se rozdlují na osciláory sinusových a nesinusových prbh napí. Podle kmiou vyrábného napí jsou nízkofrekvenní a vysokofrekvenní. 4. Zpnovazební osciláory sinusového prbhu napí Základem akovéhoo osciláoru je zesilova s kladnou zpnou β u vazbou. Aby se ze zesilovae sal osciláor, musí bý splnny podmínky pro vznik oscilací. ) fázová podmínka: ϕ = 0, kerá íká, že soue fázových posunuí v uzavené smyce, voené zesilovaem a zpnou u vazbou, musí bý 0 nebo násobky 360. zv. ) ampliudová podmínka: β. A >, kerá íká, že souin iniele zpné vazby β a velikos výkonového zesílení zesilovae A Obr. 4. Princip osciláoru musí bý vší jak. V praxi se hodnoa ohoo souinu volí,5,5. Pi vších hodnoách ohoo souinu se pracovní bod zesilovae dosane do B nebo i ídy a vyrábný sinusový prbh napí bude zkreslený vyššími harmonickými, což je všinou jev nežádoucí. 3) mezní podmínka: β. A =, kerá íká, že musí nasa rovnovážný sav, pi kerém se ampliuda vyrábného napí pesane zvšova (zesilova v sinusovém osciláoru nesmí zaí limiova). 4.. Osciláory Kmioe osciláor je uren vhodným zapojením selekivních len ve zpné vazb zesilovae a je lineární funkcí asové konsany τ =. ím se osciláory dají snadno peladi. Mohou vyráb i velmi nízké kmioy. Nepoebují induknos, kerá se obížn realizuje v inegrované form a proo je dnes jejich použií díky IO a OZ sále vší a o i pro vysoké kmioy. osciláory se dlí na osciláory s posouvanou fází a mskové osciláory s posouvanou fází (píkové) Základem je inverující zesilova. Pro splnní fázové podmínky se musí fáze zpnovazebního napí ooi o 80. K omu slouží kaskáda minimáln í D nebo I o sejné asové konsan τ, zapojená ve vvi kladné ZV, kerá na jednom kmiou poooí fázi zpnovazebního napí o 80 a ím se na omo kmiou splní fázová podmínka pro vznik oscilací. Ampliudová podmínka se splní dosaen velkým zesílením zesilovae. Zapojení se rozkmiá na kmiou, kerý je uren velikosí a ve zpné vazb. Mezní podmínka se splní souasným zavedením nelineární ZV (nap. míso odporu emioru E se zapojí žárovka). Pelaování píkových osciláor je složié a proo se používají jako zdroje konsanního kmiou. a) osciláor s derivaními lánky Pi sejných hodnoách a všech í lánk je kmioe, na kerém dojde k ooení fáze výsupního napí vzhledem ke vsupnímu napí u o 80 uren vzahem f0 = π 6 Zapojení osciláoru je na obr. 4.. Výsledný odpor eího lánku je uen paralelní kombinací odporu a vsupního odporu ranzisoru V. D jsou souasn kmioov závislými dlii napí a ím zmenšují velikos napí na výsupu píkového lánku (jeho penos). Snížení výsledného úlumu píkového lánku se dosáhne pomocí zv. progresivních lánk podle obr Jednolivé lánky mají sejnou asovou konsanu τ, ale impedance

2 následujícího lánku je n krá vší než pedchozího lánku. Poom mže mí zesilova menší zesílení. Oscilaní kmioe je uren vzahem f0 = π 3 n n B V /n /n V E E u n n paraleln Obr. 4. Osciláor s posouvanou fází pomocí D Obr. 4.3 Píkový lánek s D b) osciláor s inegraními lánky. Pi sejných hodnoách a všech í lánk je kmioe, na kerém dojde k ooení fáze výsupního 6 napí vzhledem ke vsupnímu napí u o 80 uren vzahem f0 = π Sejn jako u osciláoru s derivaními lánky mže se použí i progresivního zapojení lánk podle obr. 3 n n 4.5. Oscilaní kmioe je poom uren vzahem f O = π V n n E E u /n /n Obr. 4.4 Osciláor s posouvanou fází pomocí I Obr. 4.5 Píkový lánek s I 4... osciláory mskové V obvodu zpné vazby je zaazena kombinace len, kerá vyváí mskové zapojení a zavádí mezi výsupem a vsupem zesilovae kombinaci ZV a ZV. ím se dosáhne lepší kmioové sabiliy a menšího harmonického zkreslení vyrábného napí než u osciláor s posouvanou fází. aké pelaování je snadnjší, proože ho lze uskueni zmnou menšího pou prvk. Oscilaní kmioe je uren selekivní zpnou vazbou pomocí zv. nulových lánk, keré mají na jednom kmiou nulový fázový posuv a jejich penos na omo kmiou je bu maximální (Wienv lánek) nebo minimální (-lánky).

3 a) Osciláor s Wienovým lánkem u Obr. 4.6 Wienv lánek Wienv lánek je sérioparalelní kombinace dvou sejných odpor a kondenzáor, zapojených podle obr oo zapojení má na kmiou f = π 0 nejvší penos, rovný jedné ein a na omo kmiou neposouvá fázi výsupního napí. Zapojuje se do vve kladné zpné vazby. ím je splnna fázová podmínka pro vznik oscilací. Ampliudová a mezní podmínka se splní nasavením nelineární ZV. Obr. 4.7 Osciláor s Wienovým lánkem K zapojení osciláoru s Wienovým lánkem je ideální použií OZ podle obr Sabilizace ampliudy a nasavení zesílení zesilovae, keré musí bý vší jak 3, je provedeno nelineární ZV. Zpnovazební napí se získává z nelineárního dlie voeného odporem a žárovkou. Zvšením výsupního napí se proud dliem a ím i žárovkou zvší, žárovka se pižhaví, její odpor vzrose, -ZV se zvší a ampliuda vzrose jen neparn. Plynulé pelaování kmiou ohoo osciláoru se provádí dvojiým ladícím kondenzáorem, rozsahy se pepínají odpory. b) Osciláor s - lánkem ZV u n n B E Obr. 4.8 Jednoduchý - lánek Obr. 4.9 Osciláor s - lánkem Zapojení jednoduchého -lánku je na obr lánek na jednom kmiou neposouvá fázi a má minimální penos. Proo se zapojuje do vve záporné zpné vazby. Ampliudová podmínka se nasaví velikosí kladné zpné vazby. Zapojení akovéhoo osciláoru je na obr Dvousupový zesilova s ranzisory v SE je neinverující. Z výsupu je zavedena pes kondenzáor ZV kladná ZV, jejíž velikos se nasaví poenciomerem B. Z kolekoru ranzisoru je pes -lánek zavedena selekivní ZV. Plynulé pelaování kmiou se provádí dvojiým ladícím kondenzáorem. Vší kmioovou sabiliu a lepší harmonickou isou mají osciláory s dvojiým pemosným - lánkem. Musí se ale ladi emi prvky souasn. 3

4 4.. L osciláory Kmioe L osciláor je uren rezonanním obvodem L. Pedevším jeho vlasnosi urují výsledné paramery celého osciláoru, a o nejen kmioe, ale i jeho sabiliu. Zapojením obvodu podle obr. u 4.0 se ze zdroje nabije kondenzáor na napí U. Nabiý kondenzáor má energii L W E = U U Odpojením zdroje a pipojením cívky L paraleln ke kondenzáoru se kondenzáor pes cívku zane vybíje. ívkou Obr. 4.0 L obvod a lumené kmiy zane proéka proud a kolem ní se vyváe magneické pole o energii W H = L I. Po vybií kondenzáoru proud pesane éci, v cívce se indukuje napí opaného smru a ímo napím se zpn zane nabíje kondenzáor. Po jeho nabií se dj bude opakova. ívka s kondenzáorem si navzájem vymují energii obvod kmiá na kmiou f0 =. Proože π L jsou v obvodu zráy, ampliudu kmi exponenciáln klesá a kmiy jsou lumené. Když zráy v obvodu budeme hradi nap. zesilovaem nebo souáskou se záporným diferenciálním odporem, nebude ampliuda kmi klesa a ím dosaneme zdroj sídavých kmi L osciláor Zapojení L osciláor Základem L osciláoru je zesilova, ve kerém jsou splnny podmínky pro vznik oscilací (sejn jako u osciláor ). Zapojení L osciláor je mnoho a proo mají jména podle svých vrc. a) Osciláor Meisner B V B L L zv V f E E Obr. 4. Osciláor Meisner Základem je vf. ladný zesilova v zapojení SE. en obrací fázi výsupního napí a proo se fáze zpnovazebního napí musí poooi o 80, aby byla splnna fázová podmínka pro vznik oscilací. Ooení fáze se provede zpnovazební cívkou L ZV ím, že se prohodí její vývody. (ekou se znaí zaáek vinuí.) Zapojení je na obr. 4. a kladná zpná vazba, zavedená z výsupu zesilovae zp na vsup, je nakreslena lusou arou. Ampliudová podmínka se splní vhodným pevodem mezi cívkami L a L ZV. Výsupní signál se odebírá kapaciní vazbou pomocí V nebo indukivní vazbou pomocí další vazební cívky. Kondenzáor f pedsavuje zkra zdroje pro vf. signál. 4

5 b) Osciláor Harley B V B E L L v V E f Jeho zapojení je obr. 4.. Paí mezi zv. íbodová zapojení, proože rezonanní obvod L je pipojen k zesilovai ve ech bodech. Kolekor ranzisoru je napájen do odboky na cívce a ím na jejím horním konci dosane napí fázov poooené o 80 vzhledem k napí na kolekoru. oo zpnovazební napí je pivedeno zp na vsup zesilovae (lusá ára na schémau). Výsupní napí osciláoru se odebírá kapaciní nebo indukivní vazbou. Obr. 4. Osciláor Harley c) osciláor olpiz L V V B f B f Paí aké mezi íbodová zapojení osciláor. Jeho zapojení je na obr Neinverující zesilova je v zapojení SB. Kladná zpná vazba je zavedena z výsupu zp na vsup pes. Velikos ZV je urena dlícím pomrem kapaciního dlie,. Zapojení na obr. 4.3 vpravo je idenické s levým obrázkem, ale kreslí se asji pravé schéma. oo zapojení osciláoru se používá ve vsupních obvodech rozhlasových pijíma FM a elevizních pijíma, proože ranzisor v SB zesiluje do vyšších kmio než v SE. d) Osciláor lapp Obr. 4.3 Osciláor olpiz L 3 B V f E Obr. 4.4 Osciláor lapp Je na obr. 4.4 a používá neinverující zapojení S. Kladná ZV je zavedena z emioru do kapaciního dlie,, kerý je souásí ladného obvodu ve vsupu zesilovae. Výsledná ladící kapacia je dána sériovým zapojením kondenzáor,, 3. Kapacia kondenzáor, je ádov isíckrá vší než 3. ím se zmny mezielekrodových kapaci na výslednou ladící kapaciu nebudou prakicky uplaova a sabilia ohoo osciláoru dosahuje hodnoy 0 5, zaím co sabilia pedchozích zapojení L osciláor je 0 3. Jeho peladielnos je malá, pouze v pomru kmio :, a proo se dá použí pouze ve vysílaích, keré se pelaují v úzkém kmioovém pásmu. Osciláor Vacká z roku 945 je obdobné zapojení s vysokou sabiliou, umožující navíc peladní v pomru :,5. 5

6 4..3 L osciláor se záporným diferenciálním odporem K hrazení zrá v L obvodu se míso zesilovae dá použí souáska, kerá v urié ási svojí VA charakerisiky vykazuje záporný diferenciální odpor, j. pi zvyšování napí proud klesá. akovou souáskou je nap. unelová dioda. a se pipojí paraleln k paralelnímu rezonannímu obvodu a svým záporným odporem v nm hradí zráy. Prakické využií akového osciláoru je problemaické, proože oblas záporného diferenciálního odporu je u unelové diody v oblasi napí pouze 0, 0,4 V, na impedancích jednoek ohm a pi frekvencích desíek GHz. Osciláor ízený fázovým závsem (PLL) f o napov ladný L osciláor dolní propus ss. ladící U f o programovaelný dli kmiou f fázový deekor f pevný dli kmiou f ref. zdroj referenního kmiou Obr. 4.5 Osciláor ízený fázovým závsem Napov ladný L osciláor (ss. ladícím napím pomocí varikapu) vyrábí kmioe f o. en se vydlí programovaelným dliem na kmioe f. Ze zdroje referenního kmiou, kerým mže bý krysalový osciláor nebo i signál DF dosáváme f ref. a en podlíme pevným dliem na kmioe f. Ve fázovém deekoru porovnáme vydlené kmioy f a f a v pípad jejich shody bude na výsupu fázového deekoru základní úrove sejnosmrného ladícího napí. Pi zmn kmiou L osciláoru f o dojde aké ke zmn f a na výsupu fázového deekoru se zmní sejnosmrné napí. Osciláor L se bude pelaova ak dlouho, až kmioe f = f a dojde k zv. zachycení. Poom sabilia kmiou L osciláoru bude sejná jako sabilia zdroje referenního kmiou. Pelaování kmiou f 0 se edy provádí zmnou dlícího pomru programovaelného dlie kmiou. Použií osciláoru s fázovým závsem (obr. 4.5) je pi ladní rozhlasových a elevizních pijíma, vysíla a pod. Dlící pomr programovaelného dlie se ukládá do pami a umožuje nasavení pedvoleb. Ladní není ale plynulé, nýbrž po skocích Sabilia kmiou osciláoru fo Vyjaduje se pomrem f, kerý udává pomrnou zmnu kmiou osciláoru za uriou dobu, nap. 4 o hodin ( f o je zmna kmiou osciláoru, f o je kmioe osciláoru). Bžné L osciláory mají sabiliu ádov 0-3, osciláory lapp a Vacká ádov 0-5. Zmna kmiou osciláoru je zpsobena zmnami napájecího napí, eploy, sárnuím souásek. Dochází ím ke zmnám zesílení zesilovae a ím ke zmnám Millerovy kapaciy. yo zmny kapaciy ovlivují výslednou ladící kapaciu rezonanního obvodu L a ím i kmioe osciláoru. Zvýšení sabiliy kmiou osciláoru se dosáhne sabilizací napájecího napí, udržováním konsanní eploy a vhodným zapojením osciláoru. Osciláory lapp a Vacká mají paraleln k Millerov kapaci pipojeny kondenzáory velkých kapaci a ím se zmna Millerovy kapaciy na výsledné ladící kapaci osciláoru projeví málo. Nejvyšší sabiliu kmiou mají osciláory krysalové. 6

7 4..5 Krysalové osciláory Jsou o osciláory nepeladielné nebo peladielné jen ásen. Kmioe krysalového osciláoru je uren krysalem. Krysal je enká desika, vyíznuá z monokrysalu kemene (pírodního nebo dnes spíše syneického, vyrábného za vysokých lak až 000 MPa) pod vhodným úhlem, ve vhodné rovin. Na desiku se napaí kovové elekrody a a se zapouzdí do kovového pouzdra nebo sklenné baky. Mechanickým slaováním krysalu se na nm objeví elekrické napí (piezoelekrický jev zapalovae plynu, mikrofony, penosky) a naopak pivedením sídavého napí se krysal mechanicky rozkmiá (opaný piezoelekrický jev). Kmiání mže bý podélné, píné, plošn sižné, ohybové. Elekrické náhradní schéma krysalu je sériový rezonanní obvod, voený velikou induknosí (ádov H), malou kapaciou (ádov seiny pf) a odporem, kerý vyjaduje lumení kmi, zpsobené upnuím krysalu do držáku. Paraleln k omuo sériovému rezonannímu obvodu je pipojena kapacia držáku a pívod (ádov pf). ím krysal vykazuje nižší rezonanci sériovou o sabilním kmiou a vyšší paralelní, mén sabilní. Jakos krysalu je veliká (0 000 až ), v bace s vakuem až 0 6. Vysoká jakos krysalu zajišuje i vysokou sabiliu krysalového osciláoru, kerá se dá ješ zvýši umísním krysalu do ermosau s eploou cca 60 a dosahuje hodno 0-5 až 0-0. L S Z P X Obr. 4.6 Náhradní schéma krysalu, jeho schémaická znaka a prbh impedance f Zapojení krysalových osciláor Zapojení krysalových osciláor je mnoho. Krysal se dá použí v osciláoru jako rezonanní obvod nap. na obr. 4.7 v zapojení krysalového osciláoru lapp a nebo jako selekivní zpnovazební len na obr. 4.8 v zapojení osciláoru Hegner. X B V V f X E Obr. 4.7 Krysalový osciláor lapp Obr 4.8 Osciláor Hegner 7

8 4. Osciláory nesinusového prbhu napí Nazývají se éž relaxaní a slouží k výrob obdélníkového nebo pilovié prbhu napí Osciláor piloviého prbhu napí y Obr. 4.9 Osciláor piloviého prbhu napí a var jeho výsupního napí Nejjednodušší zapojení zdroje piloviého prbhu napí je na obr Pracuje na principu nabíjení a vybíjení kondenzáoru v inegraním lánku. Po pipojení napájecího napí se ze zdroje pes odpor zane nabíje kondenzáor. Napí na kondenzáoru exponenciáln soupá až do okamžiku, kdy sepne yrisor y (pi urié hodno proudu, ekoucího do jeho ídící elekrody G) a kondenzáor se rychle pes sepnuý yrisor vybije. Poom se nabíjení kondenzáoru zane opakova. Jako spína se používala i dounavka. Napí na kondenzáoru vzrsalo až do hodnoy zápalného napí dounavky. Po zapálení dounavky se pes ni vybil kondenzáor na hodnou zhášecího napí dounavky, a zhasla a nabíjení kondenzáoru se opakovalo. Jesliže se k nabíjení kondenzáoru použije zdroj konsanního proudu, bude napí na kondenzáoru vzrsa lineárn. aké vybíjení mže bý lineární, pokud se kondenzáor bude vybíje konsanním proudem. Zapojení osciláoru lineárního piloviého prbhu napí je na obr sabilizáor nabíjecího proudu sabilizáor vybíjecího proudu I vybíjení I 3 U ref komp. Obr. 4.0 Osciláor lineárního piloviého prbhu napí Ke sabilizaci proudu je použia proudová záporná zpná vazba. Zenerova dioda ve sabilizáoru nabíjecího proudu a LED dioda (má difusní napí cca V) ve sabilizáoru vybíjecího proudu udržují konsanní napí na bázích ranzisor a 3. Pi zmn proudu ranzisorem se zmní úbyek napí na odporu v emioru a ím se napí U BE zvší nebo zmenší a ím se ranzisor bu více oeve nebo pive a proud jím ekoucí bude konsanní. Kondenzáor se lineárn nabíjí menším proudem ze zdroje pes ranzisor (jeho hodnou uruje velikos odpor). Po jeho nabií na hodnou napí U ref komparáor (jeho funkce bude probrána v klopných obvodech) peklopí a kondenzáor se zane vším proudem lineárn vybíje pes, 3 a odpor. Hodnoami odpor a je urena doba nabíjení a vybíjení kondenzáoru. 8

9 4... Blokovací (rázovací) osciláor - r - D u BE Obr. 4. Blokovací osciláor s prbhy napí Je o asabilní klopný obvod (nemá žádný sabilní sav), kerý je zdrojem velmi krákých, periodicky se opakujících impuls (ádov µsec až nsec). Po pipojení napájecího napí ze zdroje, se zane kondenzáor pes odpor nabíje. Po dosažení hodnoy difusního napí pechodu B-E zane éci proud pes vinuí ransformáoru r a pechod B-E. ranzisor se zane oevíra. Nárs kolekorového proudu I vinuím ransformáoru r zpsobí nárs magneického oku v ransformáoru. ím se zane indukova napí do vinuí vyznaené polariy, kerým se pes pechod B-E zane nabíje kondenzáor a ím proud I B pechodem B-E se bude ješ více zvšova. Nárs I B zpsobí další zvšování I a o až do saurace ranzisoru. Proud I se pesane zvšova, magneický ok mni, indukované napí ve vinuí zmizí a na bázi se pes vinuí dosane záporné napí nabiého kondenzáoru, keré ranzisor uzave na dobu, než se kondenzáor vybije pes vniní odpor zdroje a odpor. Poom se dj opakuje. Paraleln k vinuí je pipojena zv. nulovací dioda D. Zavením ranzisoru se ve vinuí indukuje veliké napí, keré mže prorazi ranzisor. Nulovací dioda oo indukované napí zkrauje. Používá se všude, kde se ranzisorem spíná proud do induknosi (nap. spínání relé). Oevení ranzisoru lze urychli pivedením kladného impulsu do báze zaveného ranzisoru princip synchronizace Mulivibráor Je dalším zapojení asabilního klopného obvodu (obr. 4.). Dá se realizova i pomocí OZ, íslicových obvod a asova. V klasickém zapojení je o dvousupový zesilova s kapaciní vazbou mezi supni, ve kerém je zavedena soprocenní kladná zpná vazba. ranzisory pracují jako spínae jeden je vždy oevený a druhý zavený a naopak. Pechod z jednoho savu do druhého je vlivem silné kladné zpné vazby velmi rychlý. Po pipojení napájecího napí se oba ranzisory zanou oevíra, ale i pi symerickém zapojení se jeden ranzisor oevírá rychleji než druhý a ím se druhý uzave. V našem pípad (podle prbh výsupních napí na obr. 4.) se oevel ranzisor a se zavel. Hodnoa napí u (u není napím vsupním, ale aké výsupním) je prakicky rovna napájecímu napí. Pes a oevený pechod B-E ranzisoru se nabije kondenzáor V ze zdroje na napí - U BE. Poom se aké zane oevíra i ranzisor. Jeho kolekorové napí u poklesne, a eno pokles se penese pes kondenzáor V jako záporný impuls na bázi oeveného ranzisoru, kerý se ímo záporným impulsem zane zavíra. Kolekorové napí ranzisoru vzrose, což se penese pes V na bázi oevírajícího se jako kladný impuls a urychlí jeho oevení. ím se oeve a zave obvod peklopí. Pes oevený se uzemní elekroda kondenzáoru V a ím se na bázi ranzisoru objeví záporné napí, keré bude udržova ranzisor uzavený do doby, než se kondenzáor V vybije a o pes oevený, vniní odpor zdroje napí a odpor B (ásen se V vybíjí i pes odpor ). Pedevším asovou konsanou τ = B. V je urena doba uzavení. Meziím se nabil kondenzáor V. Po vybií V se aké zane oevíra. Jeho kolekorové napí poklesne, což se penese jako záporný impuls pes V na bázi oeveného a en se zane zavíra. Dj se opakuje. Dobu uzavení uruje asová konsana τ = B. V. V pípad, že τ = τ je šíka impuls a mezera sejná a prbh má sídu :. Výsupní napí u a 9

10 u B B u V V B B V V u BE u Obr 4. Mulivibráor a asové prbhy napí v mulivibráoru jsou sejn velká a jsou v proifázi. Obvod samovoln peklápí z jedno savu do druhého. Peklopení se dá pouze urychli (a ím kmioe zvýši a osciláor synchronizova) pivedením kladného impulsu do báze zaveného ranzisoru nebo záporného impulsu do báze oeveného ranzisoru. Výsupní napí nemají pesn obdélníkový prbh, ale nabíjením vazebních kondenzáor pes kolekorové obvody dojde ke zkreslení. var výsupních napí poom odpovídá prbhu výsupního napí z inegraního lánku s malou asovou konsanou τ. oo zkreslení se dá zmenši zapojením nabíjecího obvodu. Pipojením dalšího kondenzáoru paraleln k výsupu se eno kondenzáor bude v dob uzavení ranzisoru pes jeho kolekorový odpor pomalu nabíje a po oevení ranzisoru se pes nj rychle vybije. ím op mžeme dosa napí piloviého prbhu. 0