Generator RC

Generator RC – generator drgań stosowany do wytwarzania przebiegów sinusoidalnych. Zbudowany jest ze wzmacniacza[1] i rezystorów (R) oraz kondensatorów (C) tworzących sprzężenie zwrotne.

Generatory RC można stosować w zakresach małych częstotliwości, dla których kłopotliwe jest tworzenie generatorów LC (ze względu na konieczność stosowania cewek o wysokiej indukcyjności oraz dużej dobroci – przy niskich częstotliwościach rzędu kiloherców elementy indukcyjne posiadają duże wymiary). Generatory RC tworzą przebieg o bardzo małych zniekształceniach. Mają przy tym jednakże gorszą stałość częstotliwości od generatorów LC. Charakteryzują się również małą mocą wyjściową i sprawnością (ze względu na obecność rezystorów).

Układy RC posiadają szerokie możliwości przestrajania częstotliwości. Mogą generować sygnał w zakresie od ułamkowych części herca do kilku megaherców. Z tego powodu chętnie są stosowane jako generatory serwisowe i laboratoryjne.

Zasada działania

Generator RC składa się z bloku wzmacniacza oraz przesuwnika fazowego RC. Dla pewnej pulsacji ω 0 , {\displaystyle \omega _{0},} nazywanej pulsacją pseudorezonansową spełnione są warunki generacji: amplitudy i fazy. Najczęściej wyróżniane są dwa przypadki:

  • Wzmacniacz i przesuwnik odwracają fazę, każdy o 180° – co daje łączne przesunięcie równe 360° i zapewnia spełnienie warunku fazy ( φ 1 + φ 2 = 2 k π , k ∈ N + ) . {\displaystyle (\varphi _{1}+\varphi _{2}=2k\pi ,\;k\in \mathbb {N} _{+}).}
  • Przesunięcie wnoszone przez blok RC wynosi 360°, wzmacniacz nie odwraca fazy, co również spełnia warunek fazy.

Wzmocnienie wzmacniacza musi być w obu przypadkach nieco większe od tłumienia obwodu RC, by mógł być spełniony warunek amplitudy ( β k u = 1 ) , {\displaystyle (\beta k_{u}=1),} a drgania oscylatora mogły być podtrzymywane.

Rodzaje generatorów

Generator z blokami RC lub CR i wzmacniaczem operacyjnym

Najprostszym rodzajem generatora jest układ, w którym dodatnie sprzężenie zwrotne tworzy drabinka filtrów górnoprzepustowych (blok CR) lub dolnoprzepustowych (blok RC). Pojedyncza sekcja wnosi przesunięcie fazy zawsze mniejsze od 90° (wynika to z niedoskonałości elementów R i C), dlatego potrzebne są przynajmniej trzy połączone kaskadowo sekcje dla uzyskania przesunięcia równego 180° (sekcji może być więcej, ale i tak muszą wnosić przesunięcie równe 180°). Wzmacniacz powinien w takim przypadku pracować w układzie odwracającym fazę (czyli też wnosi przesunięcie 180°).

Powyżej przedstawiono układ oparty na bloku RC. Rezystory R 1 {\displaystyle R_{1}} i R 2 {\displaystyle R_{2}} tworzą ujemne sprzężenie zwrotne stabilizujące amplitudę przebiegu. Rezystor R 1 {\displaystyle R_{1}} jest często zastępowany termistorem lub żarówką co jeszcze bardziej zwiększa amplitudę drgań i jednocześnie zmniejsza zniekształcenia nieliniowe (przesterowanie). Wynika to z faktu, że rezystancja tych elementów rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Zwiększający amplitudę sygnał wyjściowy powoduje większy przepływ prądu przez element nieliniowy, jednocześnie zwiększając jego rezystancję. Powoduje to zmniejszenie napięcia w pętli sprzężenia zwrotnego i obniżenie amplitudy napięcia wyjściowego.

Tabelka poniżej przedstawia częstotliwość drgań oraz minimalne wzmocnienie wzmacniacza dla czterech najczęściej spotykanych układów sprzężenia zwrotnego.

Typ sprzężenia 3 człony RC 4 człony RC 3 człony CR 4 człony CR
Częstotliwość drgań f 0 {\displaystyle f_{0}} 1 2 π R C 6 {\displaystyle {\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {6}}}}} 1 2 π R C 10 7 {\displaystyle {\frac {1}{2\pi RC{\sqrt {\frac {10}{7}}}}}} 6 2 π R C {\displaystyle {\frac {\sqrt {6}}{2\pi RC}}} 10 7 2 π R C {\displaystyle {\frac {\sqrt {\frac {10}{7}}}{2\pi RC}}}
Minimalne wzmocnienie napięciowe wzmacniacza K u {\displaystyle K_{u}} K u > 29 {\displaystyle K_{u}>29} K u > 18 , 4 {\displaystyle K_{u}>18,4} K u > 29 {\displaystyle K_{u}>29} K u > 18 , 4 {\displaystyle K_{u}>18,4}

Układy tego typu posiadają małą dobroć (wynika to z małego kąta nachylenia charakterystyki K ( ω ) {\displaystyle K(\omega )} bloku RC), charakteryzują się dużymi zniekształceniami przebiegu i mała stabilnością częstotliwości. Są również trudne do przestrajania.

Generator z mostkiem Wiena

W układzie tym gałąź mostka Wiena zawierająca kondensatory tworzy dodatnie sprzężenia zwrotne. Jeżeli R = R 1 = R 2 {\displaystyle R=R_{1}=R_{2}} oraz C = C 1 = C 2 , {\displaystyle C=C_{1}=C_{2},} to dla częstotliwości pseudorezonansowej nie pojawia się przesunięcie fazy, a tłumienie obwodu sprzężenia wynosi 1/3. Jeżeli wzmacniacz będzie pracował w układzie nieodwracającym fazy oraz ze wzmocnieniem wynoszącym K u > 3 , {\displaystyle K_{u}>3,} to spełnione zostaną warunki generacji.

Rezystory z drugiej gałęzi mostka można wykorzystać do stworzenia ujemnego sprzężenia zwrotnego, w celu zwiększenia stabilności amplitudy drgań.

Rezystory R 1 {\displaystyle R_{1}} i R 2 {\displaystyle R_{2}} tworzą ujemne sprzężenie zwrotne, w ten sposób, by zapewnić wzmocnienie równe 3. Ich stosunek wynosi więc R 1 = 2 R 2 . {\displaystyle R_{1}=2R_{2}.} Przy takiej konfiguracji dobroć układu jest niska i wynosi 1/3. Jednakże przy drobnym rozstrojeniu mostka, tak by R 1 = R 2 ( 2 + ε ) , {\displaystyle R_{1}=R_{2}(2+\varepsilon ),} przy ε {\displaystyle \varepsilon } wynoszącym przykładowo 0,01, dobroć generatora drastycznie rośnie.

Częstotliwość przebiegu wynosi f 0 = 1 2 π R C . {\displaystyle f_{0}={\frac {1}{2\pi RC}}.}

Przebiegi generatora z mostkiem Wiena charakteryzują się niewielkimi zniekształceniami oraz dobrą stabilnością częstotliwości.

Generator z przesuwnikiem podwójne T

Innym stosowanym oprócz mostka Wiena układem selektywnym jest czwórnik podwójne T. Czwórnik ten jest zrównoważony dla C 1 = 2 C {\displaystyle C_{1}=2C} oraz R 1 = 1 2 R . {\displaystyle R_{1}={\frac {1}{2}}R.} Dla częstotliwości generacji f 0 = 1 2 π R C {\displaystyle f_{0}={\frac {1}{2\pi RC}}} przesunięcie fazy wynosi 180°, a tłumienie 1/4. By spełnione zostały warunki generacji, wzmacniacz musi odwracać fazę i mieć wzmocnienie K u > 4. {\displaystyle K_{u}>4.}

Częstotliwość przebiegu wynosi f 0 = 1 2 π R C . {\displaystyle f_{0}={\frac {1}{2\pi RC}}.}

Przebiegi tego generatora charakteryzują się małymi zniekształceniami oraz sporą stabilnością częstotliwości.

Przypisy

  1. ↑ Wzmacniacz ten może być zrealizowany z użyciem lamp elektronowych, tranzystorów lub układów scalonych.

Bibliografia

  • Bernard Buśko, Vademecum zastosowania elektroniki, Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, wydanie III uzupełnione, Warszawa 1972.
  • Poradnik radioamatora, praca zbiorowa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, wydanie II zmienione, Warszawa 1983, ISBN 83-206-0307-2.