Вимірювальні генератори. Класифікація, схеми, принцип дії генераторів синусоїдальних коливань. Принцип дії та область застосування тахогенераторів.

Вимірювальні генератори. Класифікація, схеми, принцип дії генераторів синусоїдальних коливань

Загальні відомості

Генератором називають електронний пристрій, що формує змінну напругу необхідної форми і є перетворювачем електричної енергії джерела постійного струму в енергію електричних коливань заданої частоти.

За формою вихідних коливань генератори можна розділити на дві основні групи: генератори імпульсів і генератори гармонійних (синусоїдальних) коливань.

Імпульсні генератори залежно від форми вихідної напруги ділять на генератори напруги прямокутної форми, напруги експонентної форми, напруги пилкоподібної форми, що лінійно змінюється напруги й ін.

Генератори синусоїдальних коливань за видом використовуваного частотно-вибіркового кола підрозділяють на LC-генератори, RC-генератори й кварцові генератори.

Залежно від частоти генератори підрозділяються на низькочастотні (від 10 Гц до 100 кГц), високочастотні (від 100 кГц до 100 МГц) і надвисокочастотні (понад 100 МГц). Звичайно для одержання коливань високої частоти застосовують LC-генератори й генератори із кварцовою стабілізацією частоти, а в якості низькочастотних – RC-генератори.

Структурна схема

Основою будь-якого автогенератора електричних коливань є підсилювач, охоплений колом позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ), при цьому частина вихідної напруги через ланцюг ПЗЗ (рис. 7.1) надходить на вхід підсилювача у фазі з вхідною напругою, тобто

U_ос = U_вх.

Рис. 7.1. Структурна схема генератора синусоїдальних коливань.

Умовою виникнення в генераторі незатухаючих електричних коливань є:

− умова балансу амплітуд k_U⋅β = 1;
− умова балансу фаз φ_U + φ_β = 2π⋅n,

де k_U - коефіцієнт підсилення підсилювача; β - коефіцієнт передачі кола ПЗЗ; n = = 0, 1, 2, 3, …

LC - генератори

LC-генератор призначений для генерування сигналів високої частоти. У якості ланцюга ПЗЗ LC-генератори містять резонансний LC-контур, що складається з паралельно включених котушки й конденсатора, параметри яких визначають резонансну частоту коливань вихідної напруги

f₀ = 1/( 2π⋅√(L⋅C)).

Схема одного з варіантів LC-генератора з трансформаторним зворотним зв'язком наведена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Схема LC-генератора з трансформаторним зворотним зв’язком.

Підсилювальний каскад виконаний на біполярному транзисторі VT за схемою із ЗЕ. Елементи R1, R2, R_e, C_e призначені для завдання режиму спокою й температурної стабілізації. Вихідний сигнал знімається з колектора транзистора VT через розділовий конденсатор C_р2. У колі колектора включений LC-контур L1C1, параметри якого задають частоту коливань. Котушка L2 являє собою коло ПЗЗ – за рахунок індуктивного зв'язку частина вихідної напруги з неї надходить до бази транзистора.

Як відомо, у підсилювальному каскаді із ЗЕ вихідна напруга протифазна до вхідної. Тому для забезпечення умови балансу фаз коло ПЗЗ повинне здійснювати поворот на 180° фази вхідного сигналу. Необхідне фазування напруги ЗЗ досягається відповідним підключенням виводів обмотки котушки L2.

RС - генератори

Для отримання гармонійних коливань низької частоти застосовують генератори, у яких частотно-залежні кола ЗЗ складаються з резисторів і конденсаторів. Застосування LC-кіл на низьких частотах недоцільно через великі габарити котушок індуктивності. Найбільш частіше в RC-генераторах застосовуються міст Віна й подвійний Т-подібний міст.

Схема моста Віна і його характеристики наведені на рис. 7.3, а. Частота генерації схеми дорівнює частоті

f₀ = 1/( 2π⋅R⋅C).

де R1 = R2 = R і C1 = C2 = C.

Рис. 7.3. Частото-залежні кола RC-генераторів: а) міст Віна; б) подвійний Т-подібний міст.

На частоті f₀ коефіцієнт передачі кола зворотного зв'язка β має максимальне значення, а зсув фаз φ між вхідною й вихідною напругою дорівнює нулю.

Схема подвійного Т-подібного моста наведена на рис.7.3, б.

На квазірезонансній частоті f₀ коефіцієнт передачі подвійного симетричного Т-подібного моста дорівнює нулю (β = 0), фазовий зсув на цій частоті також дорівнює нулю (φ = 0). Зазначені властивості проявляються при певних співвідношеннях між параметрами схеми

R1 = R2 = R, R3 = R/2; C1 = C2 = C, C3 = 2С.

Частота квазірезонанса Т-подібного моста визначається вираженням

f₀ = 1/( 2π⋅R⋅C).

Т.к. на частоті f₀ коефіцієнт передачі дорівнює нулю, подвійний Т-подібний міст необхідно включати в підсилювачі як коло ВЗЗ. Наприклад, в RC-генераторі на операційному підсилювачі міст підключений до інвертую чого входу (рис.7.4). За допомогою дільника R1R2 створюється необхідна ПЗЗ.

Рис. 7.4. Схема RC-генератора на ОП з подвійним Т-подібним мостом.

У схем RC-генератора з мостом Віна на операційному підсилювачі (рис. 7.5) коло ПЗЗ включене між виходом і неінвертуючим входом. Резистори R3 і R4 забезпечують необхідний коефіцієнт підсилення. Самозбудження генератора можливо при k_U > 3.

Рис. 7.5. Схема RC-генератора на ОП з мостом Віна.

Принцип дії та область застосування тахогенераторів

Тахогенератор це електромеханічний пристрій, який необхідний для перетворення механічного обертання в електричний сигнал.

Частіше за все тахогенератор являє собою малопотужну електричну машину, яка працює в режимі генератора, слугує для видачі напруги, пропорційної швидкості обертання, та використовуються у якості електричних давачів кутової швидкості.

Вихідна величина тахогенератора (напруга) є лінійною функцією кутової швидкості обертання вала тахогенератора. В залежності від конструкції та, відповідно, вихідної напруги тахогенератора поділяються на тахогенератори постійного та змінного струмів.

Найбільше розповсюдження отримали тахогенератори постійного струму з незалежним електромагнітним збудженням та тахогенератори змінного струму.

Розглянемо принцип дії тахогенератора постійного струму.

Схема конструкції тахогенератора постійного струму (а) та його вихідні характеристики (б).

Тахогенератор має основні вузли: 1 – постійні магніти, розташовані на статорі тахогенератора та створюючі магнітний потік Ф; 2 – циліндричне феромагнітне осердя, призначене для збільшення магнітного потоку Ф всередині якоря; 3 – якір тахогенератора, виготовлений у вигляді тонкостінного стакана з ізоляційного матеріалу; 4 – обмотки ротора; 5 – колектора.

При обертанні якоря тахогенератора з швидкістю n в електромагнітному полі з магнітним потоком Ф, котрий створюється постійними магнітами, з щіток колектора знімається е.р.с., величина якої буде складати:

Е = R_eФn

Дайте відповіді на питання

1. Яке призначення мають генератори синусоїдальних коливань (ГСК)?

2. У якій смузі частот працюють низькочастотні генератори?

3. У якій смузі частот працюють високочастотні генератори?

4. Яке призначення мають RC-генератори?

5. Для чого призначений тахогенератор постійного струму?