Генератор колпитца

Схема генератора Колпитца

Вывод эмиттера транзистора эффективно соединен с соединением двух конденсаторов С1 и С2, которые соединены последовательно и действуют как простой делитель напряжения. Когда источник питания сначала применяется, конденсаторы С1 и С2 заряжаются, а затем разряжаются через катушку L. Колебания на конденсаторах прикладываются к переходу база-эмиттера и появляются в усиленном виде на выходе коллектора.

Резисторы R1 и R2 обеспечивают обычное стабилизирующее смещение постоянного тока для транзистора обычным образом, в то время как дополнительные конденсаторы действуют как обводные конденсаторы, блокирующие постоянный ток. Радиочастотный дроссель (RFC) используется в цепи коллектора, чтобы обеспечить высокое реактивное сопротивление (идеально разомкнутая цепь) на частоте колебаний ( ƒr ) и низкое сопротивление на постоянном токе, чтобы помочь запустить колебания.

Требуемый внешний фазовый сдвиг получается аналогично таковому в схеме генератора Хартли с требуемой положительной обратной связью, получаемой для устойчивых незатухающих колебаний. Количество обратной связи определяется соотношением С1 и С2. Эти две емкости обычно «объединяются», чтобы обеспечить постоянную величину обратной связи, так что, когда одна из них настроена, другая автоматически следует.

Частота колебаний для генератора Колпитца определяется резонансной частотой контура LC- бака и задается как:

где C _T — емкость С1 и С2, соединенных последовательно

Конфигурация транзисторного усилителя представляет собой усилитель с общим эмиттером с выходным сигналом 180 o в противофазе относительно входного сигнала. Дополнительный сдвиг фазы на 180 o, необходимый для колебаний, достигается тем, что два конденсатора соединены вместе последовательно, но параллельно с индуктивной катушкой, что приводит к общему сдвигу фаз в цепи, равному нулю или 360 o .

Количество обратной связи зависит от значений С1 и С2 . Мы можем видеть, что напряжение на С1 совпадает с выходным напряжением генератора Vout, и что напряжение на С2 является напряжением обратной связи генератора. Тогда напряжение на С1 будет намного больше, чем на С2 .

Поэтому, изменяя значения конденсаторов С1 и С2, мы можем регулировать величину напряжения обратной связи, возвращаемого в цепь бака. Однако большое количество обратной связи может привести к искажению выходной синусоидальной волны, в то время как небольшое количество обратной связи может не позволить колебаниям цепи.

Тогда величина обратной связи, создаваемой генератором Колпитца, основана на соотношении емкостей С1 и С2 и является тем, что управляет возбуждением генератора. Это соотношение называется «доля обратной связи» и задается просто как:

Типы волновых электростанций

Принцип действия всех волновых электростанций в мире неизменный. Конструкторы лишь работают над изменением архитектуры камеры для достижения максимального сжатия воздуха внутри. Модернизированная камера позволяет изменять свой объем и геометрию, исходя из состояния акватории. Это позволило исключить перепады мощности ВЭС при снижении высоты волны и защитить оборудование от повышенных нагрузок и разрушения в период шторма.

ВЭС, работающие по принципу качения

Это поплавковые волновые электростанции на воде. Такие сооружения служат для использования энергии волн при поверхностном качении, речь идет об их способности раскачивать поплавки. Это преобразователи, отслеживающие волновой профиль.

Морские змеи

Такие поплавковые волновые электростанции представлены секциями. Они цилиндрической формы, соединяются шарнирами и стоят в воде полузатопленными.

Мощность одной такой станции – до 21 МВт, чего хватит, чтобы снабдить электричеством 15 000 домов.

Контурный плот Коккереля

В этом случае секции на шарнирах перемещаются относительно друг друга, а колебания принимают на себя насосы с генераторами. Плот из 3 секций вырабатывает до 2 000 кВт. Эффективность – до 45%, меньше, чем у утки Солтера. Однако конструкция плота напоминает судостроительную.

Утка Солтера

Такое название дали поплавковой волновой электростанции, состоящей из множества поплавков на одном валу. Для эффективной работы их должно быть минимум 20-30. «Утка» – тот самый поплавок, его разработал инженер Стивен Солтер.

Энергия течений

Потенциальная энергия заложена в самых мощных океанских течениях. Сейчас удается получать энергию при скорости потока от 1 м/с, а мощность от 1 кв. м поперечного сечения потока – 1 кВт. Перспективным считается использование Гольфстрима, Куросио и Флоридского течения.

Кинетическая энергия волн в ВЭС

Объем кинетической энергии волн колоссальный. Так, на побережье Шотландии они выломали и сдвинули каменный блок весом 1350 т. От длины волны зависит мощность – так, когда она достигает 10 миль, за 10 сек. вырабатывается 35 000 л. с.

Использовать эту энергию можно двумя способами:

• прохождение волны через полую камеру для выталкивания воздуха, что приводит турбину в движение;
• направление в широкую трубу, где волна вращает лопасти турбины и запускает генератор.

Буй генератор

Такая конструкция представляет собой 42-метровый буй. Мощность одной станции – 150 кВт.

Буй фиксируется на дне якорями, а на поверхности удерживается 11-метровым поплавком, который перемещается вертикально вслед за колебанием вод и закрепляется на подвижном штоке. Последний – часть линейного генератора, при прохождении обмотки статора он генерирует электричество. Датчики позволяют вручную контролировать ход штока в зависимости от частоты, высоты и силы волн. На период сильного шторма шток автоматически блокируется, чтобы избежать аварии.

Действующие объекты

Поплавковые волновые электростанции мало распространены, в основном они представлены экспериментальными установками. На таких генераторах работает порядка 400 маяков и буев в мире. Однако крупных станций мало и большинство из них еще строятся.

Действующие поплавковые волновые электростанции есть в Европе. Это Wave Hub с 4 генераторами мощностью 150 кВт каждый, Mutriku Breakwater в Испании мощностью 450 кВт. Еще действует ВЭС в Австралии. Ее мощность 1 МВт, но потребители получают только 450 кВт электроэнергии.

Еще один объект – Oyster Шотландия, ВЭС в акватории Северного моря. Мощность станции – 600 кВт. Принцип работы заключается в том, что донный насос под воздействием волнового поплавка качает на берег воду, а она уже приводит лопасти в движение. Вырабатываемой энергии хватает для нескольких сотен домохозяйств.

Рейтинг регионов по силе волн

Демонстрационные объекты

Голландская компания Waterstudio построила подводную стену с электрогенераторами на Гудзоне. Это пилотный демонстрационный проект, получивший название Parthenon. В этой установке применяется инновационный волнолом, состоящий из колонн, которые похожи на греческие. Каждая из них – турбина диаметром в 1 м, которую волны заставляют вращаться в обе стороны.

Американский Парфенон и проекты ВМС США пока носят только экспериментальный характер. Однако, по прогнозам ученых, запуск волновых электростанций позволит покрыть 28% потребности страны в электричестве. Планируется, что к 2020 г. ВМС США будут получать 50% электричества из альтернативных источников.

В Украине разработан типовой проект ВЭС мощностью 2 МВт для акватории Черного моря. Станция включает 4 модуля по 500 кВт каждый. Однако пока не известно, когда начнется реализация проекта.

Генераторы с кривой пилообразного напряжения

В некоторых устройствах, например в электронных осциллографах, необходимо иметь напряжение, кривая которого имеет пилообразную форму (рис. 13-53).

Рис. 13-53. Кривая пилообразного напряжения.

Кривая должна иметь нарастающую часть возможно близкой к прямой линии, возможно большую крутизну спадающей части и возможность широкого регулирования длительности периода зуба или соответственно частоты пилообразного напряжения.

Одна из возможных схем генератора с пилообразным напряжением дана на рис. 13-54.

Рис. 13-54. Схема генератора пилообразного напряжения.

После включения постоянного напряжения на входные зажимы генератора конденсатор С будет заряжаться через сопротивления R и R ‘. При этом напряжение на зажимах конденсатора и на цепи лампы-увеличивается по кривой Оаб до величины зажигания тиратрона (точка б кривой рис. 13-53). С этого момента конденсатор быстро разряжается через тиратрон, так как при зажигании тиратрона его сопротивление уменьшается до незначительной величины и сопротивление цепи тиратрона становится во много раз меньше сопротивлений R и R ‘.Разряд конденсатора и уменьшение напряжения на его зажимах происходит очень быстро и продолжается до тех пор, пока тиратрон не погаснет (точка а’ кривой рис. 13-53). После этого конденсатор снова начнет заряжаться, а напряжение на его зажимах увеличиваться (кривая а б’) и т. д.

Из изложенного следует, что напряжение U_вых на выходных зажимах генератора будет изменяться пилообразно (кривая а, б, а’, б‘, а», б»» и т. д.).

Изменяя потенциал сетки тиратрона,можно регулировать напряжение зажигания тиратрона, а следовательно, и величину пилообразного напряжения. Частоту пилообразного напряжения регулируют изменением сопротивления R’ и изменением емкости конденсатора С.

Так как процесс ионизации и деионизации в тиратроне требует некоторого времени, то генераторы на тиратронах применяютcя для получения пилообразного напряжения частотой не выше 50 кгц. Для получения напряжения более высокой частоты применяют генераторы на электронных лампах.

Электронные устройства

В статье LC генератор  мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле

То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3. 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:

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.

Сеть RC

Если мы перерисовали вышеуказанную RC-сеть, как показано, мы ясно увидим, что она состоит из двух RC-цепей, соединенных вместе с выходом, взятым из их соединения. Резистор R ₁ и конденсатор C ₁ образуют верхнюю последовательную сеть, тогда как резистор R ₂ и конденсатор C ₂ образуют нижнюю параллельную сеть.

Поэтому общее сопротивление постоянного тока в комбинации серии ( R ₁ C ₁ ) мы можем назвать, Z _S и полное сопротивление параллельной комбинации ( R ₂ C ₂ ) мы можем назвать, Z _Р . Поскольку Z _S и Z _P эффективно соединены вместе последовательно на входе V _IN , они образуют сеть делителя напряжения с выходом, взятым через Z _P, как показано.

Давайте предположим, то, что значения компонентов R ₁ и R ₂ являются одинаковыми по индексу: 12kΩ , конденсаторы C ₁ и C ₂ являются одинаковыми по индксу: 3.9nF и частота питания, ƒ является 3.4kHz.

Полное сопротивление последовательной комбинации с резистором R ₁ и конденсатором C ₁ просто:

Теперь мы знаем, что при частоте питания 3,4 кГц реактивное сопротивление конденсатора такое же, как сопротивление резистора при 12 кОм . Тогда это дает нам верхний ряд импеданса Z _S от 17kΩ .

Для нижнего параллельного импеданса Z _P , так как два компонента параллельны, мы должны рассматривать это по-разному, потому что импеданс параллельной цепи зависит от этой параллельной комбинации.

Общий импеданс нижней параллельной комбинации с резистором R ₂ и конденсатором C ₂ задается как:

При частоте питания 3400 Гц или 3,4 кГц суммарный импеданс постоянного тока параллельной RC-цепи становится равным 6 кОм ( R | Xc ), а векторная сумма этого параллельного импеданса рассчитывается как:

Итак, теперь у нас есть значение для векторной суммы импеданса индекса: 17 кОм (Z _S = 17 кОм) и для параллельного импеданса: 8,5 кОм (Z _P  = 8,5 кОм). Следовательно, полное выходное сопротивление Zout сети делителя напряжения на заданной частоте равно:

Тогда при частоте колебаний величина выходного напряжения Vout будет равна Zout x Vin, которая, как показано, равна одной трети (1/3) входного напряжения Vin, и именно эта частотно-избирательная RC- сеть образует основу схемы осциллятора с мостом Вина .

Если теперь мы разместим эту RC — сеть через неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1 + R1 / R2, то получится следующая базовая схема мостового генератора Вина.

Analog Devices AD829

Moshe Gerstanhaber

EDN

Мультивибратор является распространенной схемой, состоящей из усилителя с положительной и отрицательной обратной связью (Рисунок 1а). При положительном напряжении на выходе потенциал неинвертирующего входа равен ½V+, а потенциал инвертирующего входа увеличивается, стремясь к V+. Когда это напряжение превысит ½V+, выходное напряжение быстро изменится до V–. Напряжение на неинвертирующем входе становится равным ½V–, а на инвертирующем входе начинает уменьшаться, стремясь к V–. Когда напряжение на неинвертирующем входе опустится ниже ½V–, процесс начнет повторяться (Рисунок 1б).

Рисунок 1.	Обычный мультивибратор имеет положительную и отрицательную обратную связь (а). Когда VOUT положительно, VIN– увеличивается, стремясь к V+. Когда VIN– превысит V+/2, напряжение VOUT начинает уменьшаться, стремясь к V– (б).

Для того, чтобы мультивибратор работал, полоса пропускания усилителя должна в 10 раз превышать полосу пропускания пассивной цепи, определяемую ее постоянной времени, поэтому выбирать усилитель надо, исходя из его скорости нарастания. Выходной сигнал имеет форму меандра.

На Рисунке 2а показана схема генератора синусоидальных колебаний. Цепь внешней коррекции, подключенная к выводу 5, обеспечивает равенство полосы единичного усиления усилителя и полосы пропускания пассивной цепи.

Рисунок 2.	Стабильный генератор (а) имеет низкие искажения (б).

Анализ петлевого усиления дает следующее выражение для передаточной функции:

Для выполнения условий, необходимых для поддержания колебаний, то есть, чтобы петлевое усиление равнялось единице, а сдвиг фаз равнялся нулю, следует выбрать

и

Обратная крутизна 1/g_m входного каскада равна 52 Ом. Схема обеспечивает хорошую стабильность амплитуды, поскольку 1/g_m всегда увеличивается с увеличением амплитуды, снижая усиление в контуре. Амплитуда устанавливается соотношением сопротивлений делителя R₂/R₃.

На Рисунке 2б изображена осциллограмма выходного сигнала генератора, работающего на частоте 4 МГц с амплитудой 5 В пик-пик. Для лучшей стабильности частоты конденсатор C₂ можно заменить кварцевым резонатором требуемого номинала, зашунтированным конденсатором небольшой емкости.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD829

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Amplitude-stable oscillator has low distortion, low cost

39 предложений от 27 поставщиков
AD829JN быстродействующий, малошумящий видеоусилитель (AD)Напряжение питания,В: ±5/15Температурный диапазон, C: 0…70Частота, МГц: 120Количество каналов: 1Напряжение смещения, мкВ: 0.3Вес, г: 1

Публикации по теме

• Схемы Генератор гармонических колебаний с низкими нелинейными искажениями на КМОП инверторах
• Схемы Высокостабильный генератор гармонических колебаний 18 МГц с низкими искажениями и автоматической регулировкой уровня выходного сигнала
• Схемы Перестраиваемый генератор гармонических сигналов с низкими искажениями и внешней синхронизацией
• Форум Измеритель периода гармонических колебаний с цифровой индикацией
• Схемы Генератор незатухающих колебаний

Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии

Переменным называется ток, изменяющийся по величине и направлению по гармоническому закону.

Переменный ток представляет пример вынужденных электромагнитных колебаний. Для описания переменного электрического тока используют следующие величины:

• мгновенное значение силы тока – i;

• мгновенное значение напряжения – u;

• амплитудное значение силы тока – Im;

• амплитудное значение напряжения –Um.

Цепь переменного тока представляет собой колебательный контур, к которому приложена внешняя синусоидальная ЭДС. В цепь переменного тока могут включаться различные нагрузки: резистор, катушка, конденсатор.

Активное сопротивление

Проводник, преобразующий всю энергию электрического тока во внутреннюю, называется активным сопротивлением ​\( R \)​. (Эту величину мы раньше называли сопротивлением.) Активное сопротивление зависит от материала проводника, его длины и площади поперечного сечения и не зависит от частоты переменного тока.

В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе:

Мгновенное значение мощности: ​\( p=i^2R, \)​

среднее значение мощности за период: ​\( \overline{p}=\frac{I_m^2R}{2}. \)​

Действующим значением силы переменного тока ​\( I_Д \)​ называют значение силы постоянного тока, который в том же проводнике выделяет то же количество теплоты , что и переменный ток за то же время:

Действующим значением напряжения переменного тока ​\( U_Д \)​ называют значение напряжения постоянного тока, который в том же проводнике выделяет то же количество теплоты, что и переменный ток за то же время:

Для цепи с активным сопротивлением выполняется закон Ома для мгновенных, амплитудных и действующих значений.

Индуктивное сопротивление

Катушка в цепи переменного тока имеет большее сопротивление, чем в цепи постоянного тока. В такой цепи колебания напряжения опережают колебания силы тока по фазе на ​\( \pi/2 \)​. Колебания силы тока и напряжения происходят по закону:

Амплитуда силы тока в катушке:

где ​\( L \)​ – индуктивность катушки.

Индуктивным сопротивлением ​\( X_L \)​ называют физическую величину, равную произведению циклической частоты на индуктивность катушки:

Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте. Физический смысл индуктивного сопротивления: ЭДС самоиндукции препятствует изменению в ней силы тока. Это приводит к существованию индуктивного сопротивления, уменьшающего силу тока.

Для цепи с индуктивным сопротивлением выполняется закон Ома.