RC генератор- описание, расчеты

Электронные устройства

Привет, друзья мои  🙂

Сегодня у нас речь пойдет о электронном устройстве, которое называется RC генератор.
У нас уже был разговор про один из генераторов, который назывался LC-генератор. Они широко применяются на практике, однако при всей своей относительной простоте у них есть один довольно существенный недостаток: они могут работать лишь на высоких частотах. Почему? А давайте вспомним формулу расчета частоты LC- генератора:

Исходя из этой формулы, получается что для уменьшения частоты нужно увеличивать и емкость конденсатора и индуктивность дросселя. В принципе ничего сложного, вот только это приведет к увеличению размеров.

В LC-генераторе все крутилось вокруг свойства автогенерации в LC-контуре, а вот в RC-генераторе уже ситуация немного другая: здесь у нас используется эффект самовозбуждения.

Стоп!!! Не подумайте ничего плохого!!  🙂  Под самовозбуждением имеется ввиду чисто техническое понятие!!  🙂

Если по-простому, то как все это выглядит: наверняка многие знают что такое караоке. Ну да, самое обычное караоке- микрофон, усилитель, акустика.

А что будет если мы выкрутим чувствительность микрофона на максимум и встанем возле колонки? Все верно- из колонок мы услышим оглушающий свист.
Почему так получилось? Да все просто: микрофон начнет улавливать звук из колонок и усиливать его.
Усиленный звук из колонок опять попадет на микрофон и вновь усилится, ну а так далее по возрастающей. Это и называют самовозбуждением усилителя.

С теоретической точки зрения получается что здесь выход и вход устройства взаимосвязаны друг с другом. В электронике это взаимодействие принято называть обратной связью. В данном случае у нас получилась Положительная Обратная связь (сокращенно ПОС).

Так вот, именно на эффекте ПОС и построены RC-генераторы. Давайте рассмотрим вот такую простенькую схему:

Как мы видим- это самый обычный усилитель на транзисторе. Его вход и выход взаимосвязаны: выход усилителя (коллектор транзистора) подключен через цепочку из резисторов и конденсаторов ко входу этого-же транзистора (его база).

Таким образом здесь образовалась положительная обратная связь, в усилителе возникнет самовозбуждение, и усилитель превратится в генератор, а частота генератора будет зависеть от номиналов конденсаторов и резисторов.

Эту самую цепочку из резисторов и конденсаторов называют фазовращающей.

С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими.  Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной «Н»!!). Вот так он выглядит:

Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,( но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:

Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.

Еще один практический пример: Генератор НЧ на микросхеме К174УН7