Генераторы: что это такое? (Определение типы и применения)
Что такое генератор?
Генератор — это схема, которая создает непрерывный, повторяющийся, переменный сигнал без какого-либо входного сигнала. Генераторы в основном преобразуют однонаправленный ток от источника постоянного тока в переменный сигнал желаемой частоты, определяемой компонентами его схемы.
Основной принцип работы генераторов можно понять, анализируя поведение LC-контура, показанного на рисунке 1 ниже, который использует индуктивность L и полностью заряженный конденсатор C в качестве своих компонентов. Сначала конденсатор начинает разряжаться через индуктивность, что приводит к преобразованию его электрической энергии в электромагнитное поле, которое может быть сохранено в индуктивности. Как только конденсатор полностью разрядится, ток в цепи прекратится.
Однако к этому времени сохраненное электромагнитное поле уже создало противоЭДС, что привело к протеканию тока по цепи в том же направлении, что и раньше. Этот ток продолжает протекать по цепи до тех пор, пока электромагнитное поле не исчезнет, что приводит к обратному преобразованию электромагнитной энергии в электрическую форму, вызывая повторение цикла. Однако теперь конденсатор будет заряжен с противоположным знаком, что приводит к получению колебательного сигнала на выходе.
Однако колебания, возникающие вследствие взаимного преобразования двух форм энергии, не могут продолжаться бесконечно, так как они подвергаются воздействию потерь энергии из-за сопротивления цепи. В результате амплитуда этих колебаний постепенно уменьшается до нуля, что делает их затухающими.
Это указывает на то, что для получения непрерывных колебаний с постоянной амплитудой необходимо компенсировать потерю энергии. Тем не менее, следует отметить, что подаваемая энергия должна быть точно контролируема и должна быть равна энергии, потерянной в цепи, чтобы получить колебания с постоянной амплитудой.
Это связано с тем, что если подаваемая энергия больше, чем потерявшаяся, то амплитуда колебаний увеличится (рисунок 2a), что приведет к искаженному выходу; а если подаваемая энергия меньше, чем потерявшаяся, то амплитуда колебаний уменьшится (рисунок 2b), что приведет к непродолжительным колебаниям.
На практике генераторы являются ничем иным, как усилительными схемами, которые оснащены положительной или регенеративной обратной связью, при которой часть выходного сигнала подается на вход (рисунок 3). Здесь усилитель состоит из активного элемента, который может быть транзистором или операционным усилителем, а обратно поданный сигнал в фазе отвечает за поддержание (поддержание) колебаний, компенсируя потери в цепи.
После включения питания колебания будут инициированы в системе из-за присутствующего в ней электронного шума. Этот шумовой сигнал проходит по цепи, усиливается и быстро сходится к одиночной синусоидальной волне. Выражение для коэффициента усиления замкнутого контура генератора, показанного на рисунке 3, дается следующим образом:
Где A — коэффициент усиления по напряжению усилителя, а β — коэффициент усиления сети обратной связи. Если Aβ > 1, то амплитуда колебаний увеличится (рисунок 2a); если Aβ < 1, то колебания будут затухать (рисунок 2b). С другой стороны, Aβ = 1 приводит к колебаниям с постоянной амплитудой (рисунок 2c). Другими словами, это означает, что если коэффициент усиления обратной связи мал, то колебания прекращаются, если коэффициент усиления обратной связи велик, то выход будет искажен; и только если коэффициент усиления обратной связи равен единице, колебания будут иметь постоянную амплитуду, что приводит к самоподдерживающейся колебательной схеме.
Типы генераторов
Существует множество типов генераторов, но их можно классифицировать на две основные категории — гармонические генераторы (также известные как линейные генераторы) и релаксационные генераторы.
В гармоническом генераторе поток энергии всегда идет от активных компонентов к пассивным, а частота колебаний определяется путем обратной связи.
В релаксационном генераторе энергия обменивается между активными и пассивными компонентами, а частота колебаний определяется временными константами зарядки и разрядки, участвующими в процессе. Кроме того, гармонические генераторы производят малоискаженные синусоидальные выходные сигналы, тогда как релаксационные генераторы генерируют несинусоидальные (пилообразные, треугольные или прямоугольные) формы сигналов.
Основные типы генераторов включают:
Генератор мостового типа Вина
Фазовый RC-генератор
Генератор Хартли
Напряжение-управляемый генератор
Генератор Колпитца
Генератор Клэппа
Кварцевые генераторы
Генератор Армстронга
Генератор настройки коллектора
Генератор Ганна
Перекрестно-связанные генераторы
Кольцевые генераторы
Генераторы Дайнатрон
Генераторы Майсснера
Оптоэлектронные генераторы
Генератор Пирса
Генератор Робинсона
Генератор Три-тет
Генератор Пирсон-Энсон
Генераторы с задерживающей линией
Генератор Ройера
Электронно-связанные генераторы
Многоволновые генераторы
Генераторы также можно классифицировать на различные типы, в зависимости от рассматриваемого параметра, то есть на основе механизма обратной связи, формы выходного сигнала и т. д. Эти классификационные типы приведены ниже:
Классификация на основе механизма обратной связи: генераторы с положительной обратной связью и генераторы с отрицательной обратной связью.
Классификация на основе формы выходного сигнала: генераторы синусоидальных колебаний, генераторы прямоугольных или прямоугольных колебаний, генераторы с пилообразным выходным сигналом и т. д.
Классификация на основе частоты выходного сигнала: низкочастотные генераторы, аудио генераторы (частота выходного сигнала которых находится в аудиодиапазоне), радиочастотные генераторы, высокочастотные генераторы, сверхвысокочастотные генераторы, ультравысокочастотные генераторы и т. д.
Классификация на основе типа контроля частоты: RC-генераторы, LC-генераторы, кварцевые генераторы (которые используют кварцевый кристалл для получения стабилизированного по частоте выходного сигнала) и т. д.
Классификация на основе природы частоты выходного сигнала: генераторы с фиксированной частотой и генераторы с переменной или настраиваемой частотой.
Применение генераторов
Генераторы — это недорогой и простой способ генерации сигнала определенной частоты. Например, RC-генератор используется для генерации низкочастотного сигнала, LC-генератор — для генерации высокочастотного сигнала, а генератор на основе операционного усилителя — для генерации стабильной частоты.
Частота колебаний может изменяться путем изменения значения компонента с помощью потенциометра.
Некоторые распространенные применения генераторов включают:
Кварцевые часы (которые используют кварцевый генератор)
