Číslo projektu Číslo materiálu CZ..07/.5.00/34.058 VY_3_INOVACE_ENI_.MA_04_Zesilovače a Oscilátory Název školy Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Autor Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA Ročník druhý Datum tvorby 6.6.0 Anotace Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům.ročníku, slouží jako doplněk učiva. Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora
Rozdělení, vlastnosti a parametry zesilovače
ZESILOVAČ Zesilovač je zařízení, které zesiluje vstupní signál. Má vstup a výstup, tzn. je to čtyřpól na jehož vstupní svorky přivádíme signál, který chceme zesílit. Základní rozdělení zesilovačů mechanické (jednoduché stroje, převody, atd.) elektromechanické (relé, stykač) elektronické ( s elektronkami či tranzistory ) Vstup Zesilovač Výstup Vstup Zesilovač Výstup
ZESILOVAČ Zesilovač je elektronické zařízení, které zesiluje elektrický signál. Má vstup a výstup, tzn. je to čtyřpól na jehož vstupní svorky se přivádí signál, který se zesiluje (obr. 7.). Zesilovač není zdroj energie, ale ke své práci potřebuje zdroj, který doplňuje vstupní energii na výstupní. Druhou část napájecí energie zesilovač mění ve ztrátové teplo. Úkolem zesilovače je zesilovat vstupní elektrický signál. Vstupní i zesílený výstupní signál mají určitou velikost napětí a mohou do obvodu dodávat určitý proud. Protože součin velikosti proudu a napětí tvoří elektrický výkon, můžeme u elektrického signálu určit i výkon odevzdávaný do zátěže.
PARAMETRY ZESILOVAČE Základními parametry (vlastnostmi) zesilovače jsou: - zesílení, - nelineární zkreslení, - stabilita - odolnost proti rozkmitání, - šířka pásma - kmitočtový rozsah, který je zesilovač schopen zesílit.
ZESÍLENÍ A ZISK ZESILOVAČE Vstup Zesilovač Výstup Zesílení zesilovače definujeme jako poměr výstupního signálu ku vstupnímu. Pro zesilovač sledujeme: - napěťové zesílení A U - proudové zesílení A I - výkonové zesílení A P Zesílení zesilovače je bezrozměrná jednotka a udává kolikrát se změní příslušný parametr (napětí, proud, výkon). Zisk zesilovače je vyjádření jednotlivých zesílení v decibelech. Pro zesilovač sledujeme : - napěťový zisk a U - proudový zisk a I - výkonový zisk a P
NAPĚŤOVÉ ZESÍLENÍ A NAPĚŤOVÝ ZISK ZESILOVAČE U Zesilovač U Napěťové zesílení: A U U U [ ] a a U U Napěťový zisk: 0log A U 0log U U db db I P PROUDOVÉ ZESÍLENÍ A PROUDOVÝ ZISK ZESILOVAČE Zesilovač I Zesilovač P A Proudové zesílení: P A U P P U U U U [ ] I I [ ] a a I I Proudový zisk: 0log A I 0log I VÝKONOVÉ ZESÍLENÍ A VÝKONOVÝ ZISK ZESILOVAČE Výkonové zesílení: a a P P 0log A U 0log U I I I db db Výkonový zisk: P db db
Rozdělení zesilovačů podle třídy nastavení pracovního bodu
Třída A Třída B Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál se zkreslením - kladná zesílená půlvlna má maximální hodnotu - záporná zesílená půlvlna má maximální hodnotu Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál se zkreslením - kladná zesílená půlvlna má maximální hodnotu - záporná zesílená půlvlna je maximálně zkreslená => má nulovou amplitudu U U U t U t t t
Třída AB Třída C Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál bez zkreslení - kladná zesílená půlvlna má maximální hodnotu - záporná zesílená půlvlna je zkreslená => má menší než maximální amplitudu Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál se zkreslením - kladná zesílená půlvlna je zkreslená => má nižší než maximální hodnotu - záporná zesílená půlvlna je maximálně zkreslená => má nulovou amplitudu U U t t U U t t
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě A
Převodní charakteristika I C [ma] Výstupní charakteristika P A I C max 8 6 4 P A 80 ma 70 ma 60 ma 0 50 ma P A 8 P A 40 ma P 6 A P A 4 30 ma 0 ma U CC 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě AB
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě AB Převodní charakteristika I C [ma] Výstupní charakteristika I C max 8 6 4 80 ma 70 ma 60 ma 0 50 ma P AB 8 6 P AB 40 ma 30 ma 4 P AB P AB 0 ma P AB 0 ma PAB U CC I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě B
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě B I C [ma] Převodní charakteristika Výstupní charakteristika I C max 8 6 4 0 8 6 P B P B 4 P B 80 ma 70 ma 60 ma 50 ma 40 ma 30 ma 0 ma 0 ma U CC I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 P B U CE [V]
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě C
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě C Převodní charakteristika I C [ma] Výstupní charakteristika I C max 8 6 4 0 8 6 4 P C P C 80 ma 70 ma 60 ma 50 ma 40 ma 30 ma 0 ma 0 ma U CC I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 P C 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V] P C
Nízkofrekvenční zesilovač
Zesiluje kmitočty akustického rozsahu, tj. 6 Hz až 0 khz. Používá se zesilovač třídy A. Vstup zesilovače tvoří svorky -', na nějž je přivedeno napětí ze střídavého zdroje. Výstup -' je připojen na zátěž R Z. Zdroj a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrně odděleny vazebními kondenzátory C V a C V. Klidový pracovní bod P, zvolený ve třídě A, je ve výstupních charakteristikách nastaven stejnosměrným kolektorovým proudem I c, kolektorovým napětím U CE a proudem báze l B. Požadované hodnoty napětí a proudů se nastaví ve vstupním obvodu rezistorem R B, ve výstupním obvodu rezistory R C a R E. Obvody zesilovače prochází stejnosměrný proud a naměříme zde pouze stejnosměrná napětí. Jedná se o stejnosměrné nastavení pracovního bodu a se obvod nachází ve statickém stavu. Kondenzátor C E zajišťuje, že se emitorový rezistor R E pro střídavou složku emitorového proudu takřka neuplatní.
Zatěžovací přímka určuje proudové a napěťové poměry kolektorového obvodu. Pro ten můžeme podle II. Kirchhoffova zákona napsat rovnici U N = R c l c + U CE + R E I E Jelikož platí I C - I E, můžeme výraz zjednodušit na U N = I c (R c + R E ) + U CE Přímka je určena dvěma body, které určíme jako průsečíky s osami U CE a I C. bod A mezní stav-tranzistor uzavřen I C = 0 Po dosazení do výrazu ( ) dostaneme U CE = U N, čili souřadnici průsečíku přímky s osou U CE. bod B mezní stav-tranzistor zkratován U CE = 0 Po dosazení do výrazu ( ) dostaneme Ic max = U N / R C +R E, čili souřadnici průsečíku s osou I C. Spojením bodů A a B obdržíme zatěžovací přímku, která určuje veškeré možné poměry na tranzistoru. Přímka protíná zvolenou VA charakteristiku tranzistoru v pracovním bodě P, který určuje klidový proud báze. Ten se nastaví při napájecím napětí U N pomocí rezistoru R B.
Vytvoření zatěžovací přímky a převodní charakteristiky Převodní charakteristika I C [ma] Výstupní charakteristika I C max 8 6 4 0 8 6 4 U CC 80 ma 70 ma 60 ma 50 ma 40 ma 30 ma 0 ma 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Nastavení pracovního bodu ve tříděa statický stav I C [ma] Převodní charakteristika Výstupní charakteristika I C max 8 6 4 80 ma 70 ma 60 ma 0 50 ma P A 8 P A 40 ma 6 30 ma 4 0 ma U CC 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Nastavení pracovního bodu ve tříděa dynamický stav I C [ma] Převodní charakteristika Výstupní charakteristika P A I C max 8 6 4 P A 80 ma 70 ma 60 ma 0 50 ma P A 8 P A 40 ma P 6 A P A 4 30 ma 0 ma U CC 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Výkonové zesilovače
Úlohou výkonových (koncových) zesilovačů je zesílit signál z předzesilovače či zesilovače na požadovaný výkon do zátěže. Zátěž je většinou tvořena reproduktorovou soustavou. U PZ Z KZ U R Z Třístupňový zesilovač U Z KZ U R Z Dvoustupňový zesilovač Výpočet výstupního napětí zesilovače pro dodání potřebného výkonu do zátěže. P U I Z U U R Z U R Z U P R Z
Druhy koncových zesilovačů - Jednočinné koncové tranzistorové zesilovače - Dvojčinné koncové tranzistorové zesilovače Pracovní třídy koncových zesilovačů - Jednočinné koncové tranzistorové zesilovače pracují výhradně ve třídě A - Dvojčinné tranzistorové zesilovače Pro zesilování výkonu se používá dvojčinné zapojení, tj. zesiluje se zvlášť kladná půlvlna signálu a zvlášť záporná. Pracují ve třídě A, B nebo AB.
Jednočinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě A Obr. 7.6
I C [ma] Převodní charakteristika Výstupní charakteristika P I C max 8 6 4 P 80 ma 70 ma 60 ma 0 50 ma P A 8 P A 40 ma 6 30 ma 4 0 ma P P U CC 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V] Největší výstupní výkon se dosáhne, volíme-li pracovní klidový bod tranzistoru v bodě P A. Rozkmity výstupního napětí a proudu pro největší vstupní signál, který je zesilovač schopen bez omezení zpracovat odpovídají krajním polohám P a P pracovního bodu. ΔP ΔU ΔI ΔU ΔI 8,50 3 CE 93,50 3 C 93,5mW U CP U C MAX
Dvojčinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě A Nastavení pracovního bodu tranzistorů T a T : Ze zdroje +U N teče proud I přes odpor R B do středu sekundárního vinutí transformátoru Tr. Zde se rozdělí na proud I B, který teče tranzistorem T a na proud I B, který teče tranzistorem T. Tyto proudy jsou stejně velké, ale opačné velikosti. Tím se nastaví pracovní body ve třídě A tranzistorů T a T. Zesilování střídavého signálu: Střídavý signál se transformuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr. Při kladné půlvlně je kladnější signál na bázi tranzistoru T a zápornější na bázi tranzistoru T. Tranzistor T je oproti klidovému pracovnímu bodu více otevřen a teče jím větší kolektorový proud I C, tranzistor T je oproti klidovému pracovnímu bodu více zavřen a teče jím menší kolektorový proud I C,. Kolektorové proudy I C a I C tečou do primárního děleného vinutí transformátoru Tr, kde se rozdíl těchto proudů indukuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr a tento proud teče přes zátěž (reproduktor). Při záporné půlvlně je činnost opačná. + I C I B I B - I C
Převodní charakteristika I C [ma] Tranzistor T více otevřen Výstupní charakteristika P I C max 8 6 4 Tranzistor T více zavřen P 80 ma 70 ma P A 0 8 P A 60 ma Tranzistor T více zavřen 50 ma Tranzistor T více otevřen 40 ma 6 30 ma 4 0 ma P P U CC 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Dvojčinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě B Nastavení pracovního bodu tranzistorů T a T : Ze zdroje +U N teče proud I přes odpor R B do středu sekundárního vinutí transformátoru Tr. Zde se rozdělí na proud I B, který teče tranzistorem T a na proud I B, který teče tranzistorem T. Pro třídu B platí, že proudy I B = 0, tím je nastaví pracovní body ve třídě B tranzistorů T a T. Zesilování střídavého signálu: Střídavý signál se transformuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr. Při kladné půlvlně je kladnější signál na bázi tranzistoru T a zápornější na bázi tranzistoru T. Tranzistor T je oproti klidovému pracovnímu bodu otevřen a teče jím kolektorový proud I C, tranzistor T je oproti klidovému pracovnímu bodu zavřen a neteče jím menší kolektorový proud I C,. Kolektorové proud I C teče do primárního děleného vinutí transformátoru Tr, kde se indukuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr a tento proud teče přes zátěž (reproduktor). Při záporné půlvlně je činnost opačná. + I C I B - I B I C = 0
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě B I C [ma] Převodní charakteristika Výstupní charakteristika I C max P B P B 8 6 4 0 8 6 4 P B 80 ma 70 ma 60 ma 50 ma 40 ma 30 ma 0 ma 0 ma U CC I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 P B U CE [V] ΔP ΔU ΔI ΔU CE ΔI C 8,5,5 0 97,750 97,75mW (platí pro půlvlnuzesilovaného signálu) 3 3 Pro úplný zesilovanýsignálplatí: P ΔP 97,750 3 95,50 3 95,5mW
Dvojčinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě AB Jedná se kombinaci předchozích dvou variant ( třída A a třída B ). Proudy báze jednotlivých tranzistorů nejsou nulové, ale jsou sníženy na minimální hodnotu ( v pracovním bodě je např. 0 ma ). Tím se posune poloha pracovního bodu na zatěžovací přímce a toto zapojení vykazuje určité zkreslení zesilovaného signálu.
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě AB I C [ma] Převodní charakteristika Výstupní charakteristika P AB I C max 8 6 4 P AB 80 ma 70 ma 60 ma 0 50 ma 8 40 ma 6 30 ma 4 P AB P AB U CC 0 ma 0 ma I B [ma] 80 70 60 50 40 30 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 U CE [V]
Dvojčinný výkonový zesilovač ve třídě B s komplementární tranzistory
Komplementární (doplňkové) tranzistory jsou tranzistory, které mají opačnou vodivost. Jeden tranzistor je typu PNP a druhý je typu NPN (platí pro bipolární tranzistory) Pro unipolární tranzistory platí, že jeden tranzistor je s kanálem P a druhý s kanálem N. Tuto vlastnost lze využít u koncových zesilovačů, pracující v dvojčinném zapojení. Jedná se o soufázové buzení a zapojení se pak chová jako dvojčinný zesilovač.
Předpokládejme dvě zcela shodná zapojení s tranzistory PNP a NPN. V kolektorech obou obvodů jsou tranzistory R C, předpětí báze je nulové, takže kolektorovými obvody procházejí pouze malé zbytkové proudy. Přivedeme-li na vstup každého tranzistoru střídavé sinusové napětí, které v okamžiku t vzrůstá od nulové hodnoty do kladných hodnot, v čase t je opět nulové a klesá do záporných hodnot, v čase t 3 je nulové a opět vzrůstá. Kladná půlperioda vstupního signálu v obvodu s tranzistorem PNP nevyvolá téměř žádnou změnu kolektorového proudu. Tranzistor byl v klidovém stavu uzavřen a kladné napětí jej ještě více uzavře, takže výstupní kolektorové napětí se nezmění, a proto bude na kolektorovém výstupu tranzistoru plné napětí zdroje U CC = -0 V.
Při záporné půlperiodě vstupního střídavého signálu na bázi se tranzistor typu PNP otevře a v závislosti na velikosti amplitudy střídavého signálu na vstupu, může toto kolektorové napětí vzrůst z napětí -0 V na téměř nulovou hodnotu. Při kladné půlvlně je tranzistor PNP opět uzavřen atd. U tranzistoru NPN je tomu naopak. Je otevírán kladným napětím na vstupu. Záporná půlvlna na vstupu neovlivní poměry na výstupu. V podstatě tedy kladná půlvlna vstupního napětí otevírá tranzistor NPN a neovlivňuje tranzistor PNP a naopak záporná půlvlna otevírá tranzistor PNP a nemá vliv na tranzistor NPN.
Dvojčinný výkonový zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory (SE) a napájecími zdroji Oba tranzistory jsou bez budícího signálu uzavřeny a chovají se téměř jako rozpojený obvod. Rezistor R C v kolektorovém obvodu se uplatňuje pouze v jedné půlperidě, a to ještě u každého rezistoru v jiné. Oba obvody lze spojit v jeden a rezistor R C = R Z považovat za společný pro oba tranzistory. Též vstupy obou dílčích obvodů můžeme spojit => zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory a se dvěma napájecími zdroji. Nevýhoda : - tranzistory PNP a NPN musí mít stejné parametry - oba zdroje musí shodné vlastnosti Obr. 58.
Dvojčinný výkonový zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory (SE)a napájecím zdrojem Pro odstranění nevýhody použití dvou napájecích zdrojů se používá zapojení s jedním napájecím zdrojem u tohoto zesilovače. Rezistor R Z nemusí být průchozí pro stejnosměrný proud a v sérii s ním může být zařazen kondenzátor s dostatečně velkou kapacitou. V okamžiku, kdy je tranzistor NPN zavřen dojde k nabití kondenzátoru, v okamžiku, kdy je tranzistor NPN otevřen, kondenzátor slouží jako zdroj a přes otevřený tranzistor se vybíjí a vybíjecí proud teče opačným směrem než byl proud nabíjecí. Tím tento kondenzátor pracuje jako druhý zdroj. Nevýhoda : - tranzistory PNP a NPN musí mít stejné parametry
Dvojčinný výkonový zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory s jedním napájecím zdrojem v zapojení SC Jelikož je obtížné vybrat dvojici komplementárních tranzistorů se zcela symetrickými vlastnostmi, je výhodné používat zapojení se společným kolektorem. Toto zapojení s napěťovou zápornou zpětnou vazbou neklade tak velké nároky na symetrii použitých tranzistorů, proto se v mnohých případech emitorovému sledovači dává přednost.
OSCILÁTORY
OSCILÁTOR Oscilátor je zdroj střídavého napětí, jehož kmitočet je určen vnitřními součástkami. Nezpracovává žádný signál, ale je sám zdrojem signálu. Na rozdíl od zesilovače je oscilátor dvojpól. Skládá se z: - řídícího obvodu (určuje kmitočet střídavého signálu oscilátoru) - aktivního obvodu oscilátoru (nahrazuje ztráty, které vzniknou v obvodu a dodává energii) Řídící obvod Aktivní obvod
Princip vzniku harmonických kmitů Harmonické kmity vzniknou při použití paralelního rezonanční obvodu LC. Impedance laděného obvodu je veličina kmitočtově závislá, která ve stavu rezonance nabývá maxima a má čistě reálný charakter. Činitel jakosti tohoto obvodu určuje šířku pásma. Rezonanční kmitočet f R lze spočítat dle Thomsonova vzorce f R nabíjení kondenzátoru C + U + - = t - U T netlumené harmonické kmity (průběh bez ztrát) tlumené harmonické kmity (skutečný průběh se ztrátami)
Zpětnovazební signál se sčítá se vstupním signálem. Kladná zpětná vazba zesilovačebez zpětné vazby ; zesílení u u A U Z u β u bnípřenos zpětnovaze u u β Z u u A 0 U Z 0 Z 0 u u u u u u u u u Z βu u u u βu u u u u u β u u u u U U βa A
Vliv kladné zpětné vazby na zesilovač U Z b Zpětnovazební signál se sčítá se vstupním signálem, což se projeví tím, že po zesílení zesilovačem je výstupní napětí U větší. U 0 SČ A U Zesilovač - A U A U βa U U Tím se zvětší zpětnovazební signál a po součtu obou signálů, opět dojde k navýšení napětí na výstupu zesilovače. Výsledkem je neustálé zvyšování zesílení, toto zesílení dosáhne nekonečně velké hodnoty, jeli ( ba U ) = O. Člen ve jmenovateli ( ba U ) se nazývá stupeň vazby a označuje symbolem N. Zesílení takto zapojeného zesilovače roste nade všechny meze a ze zesilovače se vlivem kladné zpětné vazby stává oscilátor. Nárůst amplitudy je omezen zakřivením charakteristiky tranzistoru. Pro trvalé kmitání oscilátoru musí byt splněna amplitudová a fázová podmínka:
AMPLITUDOVÁ PODMÍNKA OSCILACÍ b U 0 SČ U Z Zesilovač - A U U A U A U βa U Maximální zesílení bude tehdy, je-li jmenovatel pro celkové zesílení roven O. ba u = 0 => ba u = Amplitudová podmínka ba u = znamená, že přenos zpětnovazební smyčky se musí rovnat jedné.
FÁZOVÁ PODMÍNKA OSCILACÍ b U Z SČ Zesilovač - A U U 0 U Fázovou podmínku vyjadřuje rovnice A + B = p A je fázový posun způsobený zesilovačem - B je fázový posun zpětnovazebního členu Řídící obvod Aktivní obvod A je fázový posun způsobený aktivním obvodem - B je fázový posun řídícího obvodu
DRUHY OSCILÁTORŮ Oscilátory rozlišujeme: - podle druhu řídicího obvodu (tj. jaké jsou součástky v obvodu zpětné vazby b) podle frekvence (nf a vf) - a podle tvaru kmitů (sinusové a nesinusové) Sinusové oscilátory LC (řídící obvod tvoří rezonanční obvod LC) RC (řídící obvod je tvořen fázovacím obvodem RC není rezonanční!!!) Krystalové (řídící obvod je tvořen krystalem, který má vlastnosti sériového a paralelního rezonančního obvodu) Nesinusové oscilátory pilových průběhů rázovací (blokující) oscilátory klopné obvody atd.
LC OSCILÁTORY
A) S INDUKTIVNÍ VAZBOU Oscilátory LC Řídicí rezonanční obvod je zapojen přímo na výstupní svorky zesilovače. Vstup zesilovače je induktivně vázán s řídicím rezonančním obvodem (obr 8.). Po zapnutí napájení se prudce zvyšuje proud v cívce L, zvýšení vyvolá indukcí zvýšení proudu do báze tranzistoru, to zvýší kolektorový proud a ten přes indukční vazbu M opětně zvyšuje proud báze. Zastavení nárůstu nastane vlivem zakřivení charakteristik tranzistoru (nasycený stav). Tím nastane nepatrné snížení kolektorového proudu, to vlivem kladné zpětné vazby vyvolá snížení proudu báze a stejný děj včetně nasycení se opakuje opačným směrem (záporná část kmitu). V rezonančním obvodu tak vzniká sinusový průběh kmitů. Oscilátor kmitá na rezonančním kmitočtu daným Thomsonovým vzorcem:
B) V TŘÍBODOVÉM ZAPOJENÍ Oscilátory LC Dva druhy těchto oscilátorů jsou obvodově nejjednodušší, jejich realizace je vázána na zesilovací součástku ( bipolární nebo unipolární tranzistor, elektronku trioda, neboť se jedná o trojpóly ) Tyto oscilátory mají ve zpětnovazebním řídicím obvodu vždy paralelní rezonanční obvod, který má jako třetí připojovací bod vyveden střed cívky nebo kondenzátoru. Hartleyův oscilátor (obr 8.3) má indukční větev paralelního rezonančního obvodu provedenu jako dělič napětí, jehož výstup je připojen k emitoru tranzistoru. Colpittsův oscilátor (obr 8.4) má stejný princip jako je u Hartleyova oscilátoru. Pouze dělič napětí je v kapacitní větvi rezonančního obvodu. Kvalita sinusových oscilátorů se posuzuje dle stability frekvence kmitů (neměnnost kmitočtu) poměrem f / f 0 a bývá pro uvedená zapojení řádově 0-3.
RC OSCILÁTORY
Oscilátory RC Kvalita RC oscilátorů posouzená podle stability frekvence kmitů f / f 0 je řádově 0 -. Oscilátory RC (obr 8.5) mají zpětnou vazbu (řídicí obvod) vytvořenou kombinací R a C. Kmitočet oscilátoru je dán hodnotami R a C. Výhodou těchto oscilátorů je jednoduchost, protože nemají indukčnost, která se obtížně realizuje v integrovaných obvodech. Řídicí obvod je fázovací obvod a je tvořen třemi derivačními články: C R, C R a C 3 R 3 (obc 8.6), celkový fázový posuv musí být 80 a proto každý derivační článek posunuje fázi svého výstupního napětí o 60. Protože tranzistor posouvá fázi o 80 ( p ), je splněna fázová podmínka A + B = p. f 0 π 6RC
U C U C U C3 Fázorový diagram řídícího obvodu pro RC oscilátor Obr. 8.6. U U R U R3 = U U R U C U C U R U R U C3 60 60 60 U R3 = U U
Krystalové oscilátory
Krystalové oscilátory Požadavek na vysokou stabilitu oscilátorů nejlépe splňují oscilátory řízené krystalem. Kmitočet krystalových oscilátorů je rovněž mnohonásobně stabilnější, dosahuje stability 0-5 až 0-7, ve speciálních případech až 0-9. Stabilita např. 0-7 znamená, že při kmitočtu MHz je odchylka nejvýše ± 0, Hz od jmenovitého kmitočtu. Zapojení využívá piezoelektrických vlastností výbrusu krystalu křemene. Křemenný výbrus (krystal) se přiloženým napětím deformuje a naopak při deformaci se na jeho polepech objeví elektrické napětí. V elektrickém obvodu se chová jako rezonanční obvod.
Krystalové oscilátory Náhradní schéma krystalu. Obr. 9 Kondenzátor C R a cívka Lp tvoří sériový rezonanční obvod, jehož ztráty vyjadřuje odpor R R. Kapacita C p představuje kapacitu polepů krystalu a vývodů. Z náhradního zapojení plyne, že krystal má dva rezonanční kmitočty a to pro sériový obvod a pro paralelní obvod. sériovýrezonančníkmitočet f S π L R C R paralelnírezonančníkmitočet f P π L R C C R R C C P P
IMPEDANCE KRYSTALU Obr. 0 Při kmitočtu f s je impedance krystalu nejmenší, to znamená, že se krystal chová jako sériový rezonanční obvod. Zvyšováním kmitočtu impedance prudce narůstá a při kmitočtu f p dosáhne maxima. Krystal se teď chová jako paralelní rezonanční obvod. Další zvyšování kmitočtu vede k prudkému poklesu impedance. Činitel jakosti Q krystalu je neobyčejně vysoký - 0 4 až 0 6, tedy řádově 00krát až 0 000 krát větší než u obvodů LC. Indukčnost cívky L R v náhradním obvodu krystalu je velká a kapacita C R je velmi malá. Má-li být proto kmitočet obvodu krystalu zásadně určen krystalem, musí se do základního obvodu zapojit tak, aby jeho impedance měla indukční charakter. sériovýrezonančníkmitočet f S π L R C R paralelnírezonančníkmitočet f P π L R C C R R C C P P
Nesinusové oscilátory
Nesinusové oscilátory Jedná se o zdroje, které vytvářejí střídavý signál který není podle matematické funkce sinus (cosinus). Tyto oscilátory vyrábějí např. signál obdélníkového (čtvercového), pilového (trojúhelníkového), lichoběžníkového či jiného průběhu. Tyto průběhy lze realizovat: a) omezovačem amplitudy signálu b) tvarovacími obvody c) klopnými obvody
Nesinusové oscilátory s omezovačem amplitudy signálu Základem tohoto oscilátoru je RC oscilátor nebo LC oscilátor nebo krystalový oscilátor, který vytváří sinusový signál o frekvenci f. Omezovač amplitudy provede zkreslení (omezení) průběhu střídavého signálu, tím dojde k tvarování průběhu střídavého signálu. Výsledný průběh po omezení se blíží obdélníkovému (čtvercovému) nebo lichoběžníkovému průběhu. RC Oscilátor LC Oscilátor Krystalový oscilátor Omezovač amplitudy signálu
Nesinusové oscilátory s omezovačem amplitudy signálu RC Oscilátor LC Oscilátor Krystalový oscilátor Omezovač amplitudy signálu + U t - U
Nesinusové oscilátory s tvarovacími obvody Jsou to takové obvody, které pomocí lineárních nebo nelineárních prvků mění tvar impulzů. Základem je derivační a integrační článek, který působí na analogový signál obdélníkového průběhu ( impulzů ). DERIVAČNÍ ČLÁNEK Je to obvod CR, který představuje horní propust. INTEGRAČNÍ ČLÁNEK Je to obvod RC, který představuje dolní propust. Obr. Obr.
Nesinusové oscilátory s tvarovacími obvody DERIVAČNÍ ČLÁNEK Obr. 3 Obr. 4 použití: - ze stejnosměrného pulsujícího signálu vytváří střídavý - z jednoho impulsu vytvoří impulsy dva (první na čelo impulsu, druhý na týl vstupního impulsu - zdroj pilových (trojúhelníkových) impulsů
Nesinusové oscilátory s tvarovacími obvody INTEGRAČNÍ ČLÁNEK Obr. 5 použití: - zdroj pilových (trojúhelníkových) impulsů Obr. 6
Nesinusové oscilátory s klopnými obvody Klopný obvod vznikne spojením dvou tranzistorů, které pracují ve spínacím režimu. To znamená, že je-li tranzistor zavřený, je na jeho kolektoru téměř plné napájecí napětí, a naopak otevřený tranzistor na svém kolektoru vykazuje napětí téměř nulové. Spojení je provedeno prvky R nebo C v kladné zpětné vazbě. Jsou to obvody pro získávání obdélníkových impulzů ze stejnosměrného napětí. Podle zapojení se klopný obvod může během své činnosti nacházet ve stabilním nebo nestabilním stavu. STABILNÍ STAV - je takový pracovní režim obvodu, ve kterém setrvává klopný obvod tak dlouho, dokud není vnějším impulzem převeden (překlopen) do druhého stabilního nebo nestabilního stavu. NESTABILNÍ STAV - je pracovní režim s omezenou dobou trvání, ze kterého se obvod samovolně překlopí zpět do stabilního, nebo do druhého nestabilního stavu. Podle těchto fyzikálních stavů rozlišujeme tyto klopné obvody: BISTABILNÍ (BKO) - má dva stabilní stavy a žádný nestabilní stav, MONOSTABILNÍ (MKO) - má jeden stabilní a jeden nestabilní stav, ASTABILNÍ (AKO) - nemá žádný stabilní stav a dva nestabilní stavy.
BISTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD Bistabilní klopný obvod setrvává ve dvou různých stabilních stavech, které lze měnit jen vnějším zásahem. Q SS SS Q BKO Q Q In S ( SET ) ( Nastavení ) In - R ( RESET) ( Nulování ) S R S=0 S= R=0 R= Po připojení napájení a jsou-li nepřipojeny vstupy In (SET) In (RESET) nastane vnitřní stav klopného obvodu. a) Q = 0 ; Q = b) Q = ; Q = 0 Pokud není vnější řízení setrvává obvod v tomto stavu nekonečně dlouhou dobu. Vnější řízení (překlopení) BKO.
+ - + - + - + - Činnost BKO po připojení napětí Připojíme-li napájecí napětí +U N, začnou se oba tranzistory otevírat. Rychlejší z nich (ten, který má nepatrně větší zesílení) - např. T se otevře dříve, jeho kolektorové napětí U CE = 0 => U R = max (T otevřen => I C = max). Přes R se pokles napětí přenese (kolektor je zápornější) na bázi T a ten se uzavře. Zavře-li se tranzistor T, dojde ke zvýšení napětí na jeho kolektoru => U CE =max a U R4 = min (T zavřen => I C = min), tím je kolektor kladnější a tato změna se přenese přes R 5 na bázi T, který se ještě více otevře. Toto smyčkové zavazbení způsobí lavinovité sepnutí (okamžité otevření) tranzistoru T. Klopný obvod se nachází v jednom ze dvou stabilních stavů. Obr. 7 Překlopení klopného obvodu Záměny stabilních stavů (překlopení) lze dosáhnout jen pomocí spouštěcích impulzů, a to kladným impulzem do báze právě uzavřeného tranzistoru, nebo záporným impulzem do báze právě otevřeného tranzistoru. Po přivedení kladného impulzu na bázi T se tranzistor otevře, pokles napětí na jeho kolektoru se přenese přes R 5 na bázi T a způsobí jeho zavření. V tomto stavu (T zavřený, T otevřený) klopný obvod setrvá až do příchodu dalšího impulzu. Současný příchod kladného impulzu na bázi otevřeného tranzistoru T nemůže způsobit žádnou změnu, neboť se nemůže tranzistor pochopitelně již více otevřít. POUŽITÍ BISTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU Bistabilní klopný obvod se nejčastěji používá pro realizaci paměťových obvodů, neboť má schopnost zaznamenat (pamatovat si) impulz, který již přestal existovat. Je-li tranzistor T zavřený, je na jeho kolektoru (tj. výstupu) téměř napětí zdroje. Tomuto napětí přiřadíme logickou "" (jedničku). Obvod si tento stav "pamatuje". Je-li tranzistor T otevřený, poklesne jeho kolektorové napětí téměř na nulu a tomuto stavu výstupu přiřadíme logickou "0" (nulu). Obvod si tento stav "pamatuje". Tato nejmenší možná velikosti paměti má velikost bit. Bistabilní klopný obvod má proto kapacitu paměti velkou bit.
MONOSTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD Monostabilní klopný obvod je schopen setrvat v jednom stavu neomezeně dlouhou dobu, zatím co ve druhém stavu může setrvat jen určitou krátkou dobu. Klidový stav Obr. 8 Obr. 9 Po zapnutí napájecího zdroje se přes R 3 přivede kladné napětí na bázi T a ten se úplně otevře. Pokles napětí z kolektoru T se přes R 5 přenese na bázi T a ten se zavře. Kondenzátor je nabit s vyznačenou polaritou + -. Překlopení klopného obvodu Na bázi T se přivede kladný impulz U.. Impulz vyvolá krátké otevření T, který tím uzemní levý vývod kondenzátoru C. Pokles napětí na kolektoru T se přenese přes C na bázi tranzistoru T a tím jej zavře. Na pravém vývodu C je proto nyní záporný potenciál. Nyní se C nabíjí přes R 3 s časovou konstantou t = R 3. C (obr..0), až vznikne na bázi T malé kladné napětí, které začne tranzistor T otevírat. Pokles napětí na kolektoru T se přenese přes R 5 na bázi T. Vlivem kladné zpětné vazby dojde opět k lavinovitému rychlému překlopení, které tranzistor T plně otevře. POUŽITÍ MONOSTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU Monostabilního klopného obvodu se používá jako generátoru obdélníkových impulzů, jako zpožďovacího obvodu, jako obnovitele tvaru impulzu atd.
ASTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD Obr. 0 Astabilní klopný obvod nemá stabilní stav, ale periodicky překlápí z jednoho stavu do druhého. Činnost obvodu Zapojení je teoreticky symetrické, ve skutečnosti jeden tranzistor se začne otevírat dřív až se zcela otevře. Předpokládáme, že T je zavřený a T je otevřený. C je nabit na napětí +U N. C je spojen se zemí přes T. Následuje nabíjení kondenzátoru C přes R 3 a otevřený T až se zvýší napětí na bázi T (U B ) na otevírací hodnotu a začne otevírat T. Pokles napětí na kolektoru T se přenese přes C na bázi T a ten zavře, zvýšení napětí kolektoru T se přenese přes C na bázi T a to jej ještě více otevře. Nastane lavinovité překlopení až se T úplně otevře a T zavře. C se spojí přes T se zemí. Nyní se nabíjí C přes R a otevřený T až se zvýší napětí na bázi T (U B ) a T se začne opět lavinovitě otevírat. Pokles napětí na jeho kolektoru přes C uzavře T. Výsledkem této činnosti je neustálé překlápění obou tranzistorů a proto můžeme z jejich kolektorů odebírat pravoúhlé periodické impulzy (výstupy U a U ). Průběhy napětí na kolektorech a bázích obou tranzistorů ukazuje obr... Obr. POUŽITÍ ASTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU Astabilní klopný obvod lze použít jako generátor impulzů.
Použité zdroje: Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, 003. 8 s. ISBN 80-7300-074-. Obr. 7.; 7.4; 7.5; 7.6; 7.8; 7.3; 7.30; 8.; 8.3; 8.4; 8.5; 8.6; 8.6.: Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, 003. 8 s. ISBN 80-7300-074-. Obr. 9; 0; ; ; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 0; : Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, 003. 8 s. ISBN 80-7300-074-. Obr. 3; 53; 57; 58; 58.; 59; 60: Dr. Ing. Boltík, Jiří; Ing. Český, Milan; Ing. Hojka, Jiří.; Ing. Vomela,Ladislav. Elektronická zařízení. Praha :SNTL, 990. 440 s. ISBN L6-C-II-84/55936. Ilustrace: archiv autora