Тема: Электронные генераторы.

Тема: Электронные генераторы.

Предмет «Электротехника, электроника и микропроцессорная техника»

Тема урока: Генераторы прямоугольных электрических сигналов.

Цель урока:

Образовательная: формирование у учащихся знаний о генераторах прямоугольных электрических сигналов.

Развивающая: развивать у учащихся мышление при рассмотрении данной темы.

Воспитательная: воспитание у учащихся дисциплины и внимательности во время изучения темы.

Тип урока – урок формирования новых знаний.

Вид урока – лекция с элементами беседы

Материально-техническое обеспечение: доска и мел. =)

Межпредметные связи: электротехника, физика.

Ход урока:

1. Организационная часть урока

– проверка наличия учащихся (перекличка);

– проверка готовности учащихся к уроку (конспекты, ручки).

2. Актуализация базовых знаний.

– сообщение темы и цели урока;

– мотивация учебной деятельности;

– опрос по теме: «Принцип работы, основные параметры и характеристики электронных усилителей».

Вопросы:

1. Что называется генератором?

2. Перечислите на какие виды по форме выхода сигнала делятся генераторы?

3. Опишите принцип работы мультивибратора?

3. Изложение нового материала

– сообщение новой обучающей информации (план-конспект)

4. Закрепление нового материала.

– проведения фронтального опроса для закрепления нового материала:

Вопросы:

1. Что называется усилителем?

2. Перечислите по каким признакам классифицируют усилители?

3. Что является основным параметром усилителя?

5. Подведение итогов.

– анализ деятельности учащихся в процессе урока;

– выставление оценок учащимся;

– выдача домашнего задания (учить конспект).

Для получения сигналов различной природы и их преобразования используют генераторы. Генераторы сигналов состоят из источника и формирователя, например, электрического фильтра. Практически все генераторы предназначены для преобразования постоянного тока в электрический. Есть более мощные (двухфазные, трехфазные) и менее мощные (однофазные). Однофазные генераторы построены на основе полумостовых (двухтактных) усилительных каскадах (с большим КПД), они позволяют построить почти в двое более мощный генератор, беря за основу транзисторы той же мощности. Есть однофазные генераторы с еще большей мощностью, их строят по полномостовой (четырехтактной) схеме, она позволяет увеличить мощность генератора приблизительно еще в двое. Мощные преобразователи относятся к силовой электронике и называются силовыми инверторами. Существуют генераторы электрических колебаний и генераторы гармонических колебаний.

Генераторы электрических колебаний по форме выхода сигнала делятся на генераторы синусоидальных, гармоничных колебаний, (генератор Хартли, генератор Мейснера, генератор Колпитца), генератор прямоугольных импульсов (тактовые генераторы, мультивибраторы), функциональные генераторы (треугольных, прямоугольных и синусоидальных импульсов), а также, генераторы шума. По принципу работы электрические генераторы сигналов можно разделить на LC-генераторы, блокинг-генераторы, генераторы Пирса (стабилизированные кварцевым резонатором), генераторы на туннельных диодах, RC-генераторы.

Генераторы гармоничных колебаний – это усилитель с положительной обратной или отрицательной обратной связью. Последние являются активным фильтром, подавителем (дискриминантом). Для гармонического генератора устойчивым состоянием является среднее, а всякие отклонения от среднего – неустойчивыми.

Генераторы сигналов применяются:

- в устройствах связи, например, в радиоприемниках, мобильных телефонах, телевизионных приемниках, приемопередатчиках и в аппаратуре передачи данных;

- в измерительных приборах – измерительные вольтметры, осциллографы, амперметры;

- медицинском оборудовании – томографы, электронные тонометры, электрокардиографы, физиотерапевтические приборы, рентгенографы, аппараты предназначенные для ультразвукового исследования;

- в бытовой технике – СВЧ-печи, программируемые стиральные машины, посудомоечные машины;

- в эхолотах и многих других устройствах. Генератор — это электронная схема, преобразующая энергию источника питания постоянного тока в энергию переменного сигнала.

Мультивибратор — электронное устройство для получения импульсов напряжения почти прямоугольной формы.

Рис. 1. Ламповый симметричный мультивибратор:
а - схема; б - эпюры напряжений.

В симметричном мультивибраторе (рис. 1, а) применяются одинаковые лампы, сеточные резисторы R_с1=R_с2, анодные резисторы R_a1=R_a2 и конденсаторы С1 = С2. Такая схема представляет собой двухкаскадйый усилитель, охваченный положительной обратной связью. После включения источника питания U_а через обе лампы начинает протекать одинаковый анодный ток и заряжать емкости С2 и С1. Так как схема симметрична, то напряжения на элементах одной половины уравновешиваются напряжениями на соответствующих элементах второй. Но такое равновесие неустойчиво. Достаточно малейшей асимметрии, чтобы в схеме возник лавинообразный процесс, который заканчивается запиранием одной из ламп. Через некоторое время запертая лампа отпирается, но запирается вторая и т. д. Так как всегда имеет место небольшая асимметрия элементов схемы, то при включении мультивибратора анодный ток одной лампы будет отличаться от анодного тока другой. Пусть, например, анодный ток лампы Л2 меньше анодного тока Л1. Это равносильно увеличению сопротивления участка анод — катод Л2 и, следовательно, росту падения напряжения на данном участке. Увеличение напряжения через конденсатор С2 передается на сетку Л1 и вызывает еще большее возрастание ее анодного тока. Сопротивление участка анод — катод Л1 уменьшается, напряжение на сетке Л1 соответственно понижается и происходит дальнейшее уменьшение анодного тока этой лампы. Возникает лавинообразный процесс: анодный ток лампы Л1 быстро возрастает, а анодное напряжение понижается. Через элемент обратной связи (конденсатор С1) указанное изменение анодного напряжения передается на сетку Л2 и поэтому анодный ток ее уменьшается. Все это происходит настолько быстро, что напряжения на конденсаторах С1 и С2 не успевают измениться. Скорость данного процесса определяется в основном значениями межэлектродных емкостей Л1 и Л2. Увеличение анодного тока лампы Л1 ограничивается переходом в область верхнего изгиба анодно-сеточной характеристики лампы, а также появлением сеточного тока, что связано с процессом зарядки конденсатора С2. После повышения потенциала на аноде лампы Л2 начинается зарядка конденсатора С2.

В первый момент зарядный ток имеет наибольшую величину и на резисторе R_c1 создается падение напряжения с полярностью «плюс» на сетке и «минус» на катоде лампы Л1. Положительное напряжение на сетке вызывает появление значительного сеточного тока, благодаря чему сопротивление участка сетка — катод лампы Л1 резко снижается. Скорость зарядки конденсатора С2 определяется постоянной времени цепи C2R_a2R_c.к1, где R_с.к1 — малое сопротивление участка сетка — катод лампы Л1. По мере зарядки конденсатора С2 зарядный ток, а следовательно, и напряжение на сетке лампы Л1 уменьшаются. Так как постоянная времени цепи C2R_a2R_c.к1 мала, то процесс зарядки быстро заканчивается и на сетке лампы Л1 устанавливается напряжение, равное нулю. В это же время происходит разряд конденсатора С1 через открытую лампу Л1. Путь разрядного тока следующий: левая обкладка конденсатора С1 («плюс»), участок анод — катод лампы Л1, резистор R_c2 и правая обкладка С1 («минус»). В первый момент (после скачка) разрядный ток наибольший и на резисторе R_c2 создается падение напряжения с полярностью «минус» на сетке и «плюс» на катоде лампы Л2. Величины этого напряжения достаточно для того, чтобы лампа Л2 оказалась запертой. После окончания зарядки конденсатора С2 на сетке лампы Л1 устанавливается постоянный нулевой потенциал и анодная цепь Л1 ведет себя как небольшое постоянное сопротивление, через которое разряжается конденсатор С1. По мере разряда сила тока, протекающего через резистор R_с2, и, следовательно, потенциал на сетке лампы Л2 повышается. Как только величина U_c.к2 превысит напряжение запирания E_с.o, лампа Л2 отпирается и ее анодное напряжение понижается. Этот скачок через конденсатор С2 передается на сетку лампы Л1, уменьшая ее анодный ток. Возникает новый лавинообразный процесс, который приводит к запиранию лампы Л1 и резкому росту анодного тока лампы Л2. График напряжений на сетке и аноде лампы Л1 и Л2 симметричного мультивибратора приведены на рис. 1, б. Построение графика начато в момент запирания лампы Л1, когда на ее сетке действует наибольший отрицательный потенциал. Уменьшение отрицательного напряжения U_ск1 по экспоненциальному закону соответствует разряду конденсатора С2. В момент t₁, когда U_с.к1=E_с.о, лампа Л1 отпирается и напряжение U_ск1 скачком возрастает, становясь на некоторое время положительным (зарядка конденсатора С2). До отпирания лампы Л1 напряжение ее на аноде U_а1 равно напряжению источника анодного питания. Только во время зарядки конденсатора С1 зарядный ток создает на сопротивлении R_а1 падение напряжения и поэтому график U_al имеет пологий участок (отрезок времени t₂—t₃). После отпирания лампы Л1 анодное напряжение U_а1 изменяется в противофазе с сеточным. В момент времени t₂ лампа Л1 вновь запирается, а Л2 отпирается. Графики изменения напряжения U_c.к2 и U_а2 по форме не отличаются от графиков U_c.к и U_al, но сдвинуты относительно последних во времени на половину периода. Анодное напряжение имеет форму отдельных импульсов почти прямоугольной формы, а на сетке действует пилообразное напряжение. Для симметричного мультивибратора, у которого R_c1 = R_c2 = R_c; R_a1 = R_a2 = R_a; I_a1 = I_a2 = I_a; E_c.o1 = E_c.o2 = E_c.o; C1 = C2 = C.

Частота колебаний симметричного мультивибратора

Для получения импульсов разной длительности и частоты резисторы R_c1 и R_c2 или конденсаторы С1 и С2 выбираются разными. Если C1R_c2 > C2R_c1, то в мультивибраторе лампа Л2 заперта более длительное время, чем Л1. Если снимать напряжение с анодов ламп Л1 и Л2 через разделительные конденсаторы, то с анода Л1 получим короткие импульсы положительной полярности, а с анода Л2 — короткие, но отрицательной.

Рис. 2. Схема полупроводникового мультивибратора.

Транзисторный мультивибратор (рис. 2) работает аналогично ламповому. Если транзистор T1 открыт, то конденсатор С1 разряжается. Путь разрядного тока: правая обкладка конденсатора С1 («плюс»), резистор R_б2, источник питания, участок эмиттер — коллектор T1, левая обкладка С1 («минус»). Разрядный ток создает на резисторе R_б2 падение напряжения с полярностью «плюс» к базе и «минус» к эмиттеру Т2, которое поддерживает транзистор Т2 в запертом состоянии. Разряд конденсатора С1 происходит до тех пор, пока напряжение на участке база — эмиттер Т2 не станет достаточным для его отпирания. После появления коллекторного тока транзистора Т2 потенциал на коллекторе резко уменьшается и начинается разряд конденсатора С2, при котором заперт транзистор T1 и т. д. Для повышения быстродействия и улучшения формы импульсов желательно не допускать перехода транзисторов в область насыщения. Для этой цели применены фиксирующие диоды Д1 и Д2, на которые подано напряжение смещения — E_х0. Если коллекторный ток транзистора T1 возрастает, то отрицательный потенциал на его коллекторе убывает. До тех пор пока коллекторное напряжение T1 превышает величину E₀ (по абсолютному значению), диод Д1 заперт и не влияет на работу схемы. Но как только эти напряжения станут равными, диод Д1 отпирается и как бы подключает клемму — Е₀ к коллектору. В дальнейшем потенциал на коллекторе T1 не может стать менее отрицательным, чем E₀, и переход в область насыщения становится невозможным.

Дата добавления: 2015-08-29