Генератори коливань: що це? (Визначення, типи та застосування)
Що Таке Генератор?
Генератор - це схема, яка створює неперервну, повторювану, альтернативну форму хвилі без будь-якого входу. Генератори в основному перетворюють односпрямований потік струму з джерела постійного струму (DC) на альтернативну форму хвилі, яка має бажану частоту, яка визначається компонентами його схеми.
Основний принцип роботи генераторів можна зрозуміти, аналізуючи поведінку LC-конденсаторної схеми, показаної на малюнку 1 нижче, яка використовує індуктивність L та повністю заряджений конденсатор C як свої компоненти. Спочатку конденсатор починає розряджатися через індуктивність, що призводить до перетворення його електричної енергії в електромагнітне поле, яке може зберігатися в індуктивності. Коли конденсатор повністю розрядиться, струм у схемі не буде протікати.
Однак, до того часу, коли збережене електромагнітне поле згенерувало протилежне напругу, що призведе до протікання струму через схему в тому ж напрямку, що й раніше. Протікання струму через схему триває, поки електромагнітне поле не руйнується, що призводить до зворотного перетворення електромагнітної енергії в електричну форму, що спричиняє повторення циклу. Однак, тепер конденсатор буде заряджений з протилежними полярностями, завдяки чому ви отримаєте коливальну форму хвилі на виході.
Однак, коливання, що виникають в результаті взаємного перетворення двох форм енергії, не можуть тривати назавжди, оскільки вони підлягають впливу втрат енергії через опір схеми. В результаті амплітуда цих коливань поступово зменшується до нуля, що робить їх загасними за природою.
Це свідчить про те, що для отримання неперервних коливань з постійною амплітудою, необхідно компенсувати втрати енергії. Незважаючи на це, слід звернути увагу, що надану енергію слід точно контролювати і вона має дорівнювати втраченій енергії, щоб отримати коливання з постійною амплітудою.
Це тому, що, якщо надана енергія більша за втрачену, то амплітуда коливань збільшиться (Малюнок 2a), що призведе до спотвореного виходу; а якщо надана енергія менша за втрачену, то амплітуда коливань зменшиться (Малюнок 2b), що призведе до непостійних коливань.
На практиці, генератори - це просто схеми підсилювачів, яким надається позитивна або регенеративна зворотна зв'язок, де частина сигналу на виході повертається на вхід (Малюнок 3). Тут підсилювач складається з активного елемента, який може бути транзистором або Операційним Підсилювачем, а зворотний сигнал, який є в фазі, відповідає за підтримку (збереження) коливань, компенсуючи втрати в схемі.
Після увімкнення живлення, коливання будуть започатковані в системі через електронний шум, що присутній в ній. Цей сигнал шуму обходить контур, підсилюється і швидко збігається до однієї частоти синусоїдної хвилі. Вираз для коефіцієнта підсилення замкнутого контуру генератора, показаного на Малюнку 3, подається так:
Де A - коефіцієнт підсилення напруги підсилювача, а β - коефіцієнт підсилення зворотного контуру. Якщо Aβ > 1, то амплітуда коливань збільшиться (Малюнок 2a); якщо Aβ < 1, то коливання будуть загасними (Малюнок 2b). З іншого боку, Aβ = 1 призводить до коливань з постійною амплітудою (Малюнок 2c). Іншими словами, це означає, що якщо коефіцієнт підсилення зворотного контуру малий, то коливання зникають, а якщо коефіцієнт підсилення зворотного контуру великий, то вихід буде спотворений; і лише якщо коефіцієнт підсилення зворотного контуру дорівнює одиниці, то коливання будуть мати постійну амплітуду, що призводить до самопідтримуючогося коливального контуру.
Типи Генераторів
Існує багато типів генераторів, але вони можуть бути широко класифіковані на дві основні категорії - гармонічні генератори (також відомі як лінійні генератори) та релаксаційні генератори.
У гармонічному генераторі, потік енергії завжди йде від активних компонентів до пасивних, а частота коливань визначається зворотним шляхом.
Натомість, у релаксаційному генераторі, енергія обмінюється між активними та пасивними компонентами, а частота коливань визначається часовими сталими зарядження та розрядження, що включені в процес. Більш того, гармонічні генератори виробляють вихід з малою спотвореною синусоїдною хвилею, тоді як релаксаційні генератори генерують несинусоїдні (пила, трикутні або квадратні) форми хвиль.
Основні типи генераторів включають:
Генератор Wien Bridge
RC Фазовий Зсувний Генератор
Генератор Hartley
Генератор з Контроллю Частоти
Генератор Colpitts
Генератор Clapp
Кристалічні Генератори
Генератор Armstrong
Генератор на Настроєному Колекторі
Генератор Gunn
Перехресно Зв'язані Генератори
Кільцеві Генератори
Генератор Dynatron
Генератор Meissner
Опто-Електронні Генератори
Генератор Pierce
Генератор Robinson
Три-Тет Генератори
Генератор Pearson-Anson
Генератори з Лінією Затримки
Генератор Royer
Електронно Зв'язані Генератори
Багатоволнові Генератори
Генератори також можуть бути класифіковані на різні типи залежно від параметра, який враховується, тобто, на основі механізму зворотного зв'язку, форми вихідної хвилі тощо. Ці типи класифікації наведені нижче:
Класифікація на основі механізму зворотного зв'язку: Позитивні Генератори з Зворотним Зв'язком та Негативні Генератори з Зворотним Зв'язком.
Класифікація на основі форми вихідної хвилі: Синусоїдні Генератори, Квадратні або Прямокутні Генератори, Скайтові Генератори (які виробляють пилову форму хвилі) тощо.
Класифікація на основі частоти вихідного сигналу: Низькочастотні Генератори, Аудіо Генератори (частота вихідного сигналу яких є аудіодіапазоном), Радіочастотні Генератори, Високочастотні Генератори, Дуже Високочастотні Генератори, Ультрависокочастотні Генератори тощо.
Класифікація на основі типу контроля частоти: RC Генератори, LC Генератори, Кристалічні Генератори (які використовують кварцовий кристал для стабілізації вихідної форми хвилі) тощо.
Класифікація на основі природи частоти вихідної форми хвилі: Генератори з Фіксованою Частотою та Генератори з Змінною або Налаштовуваною Частотою.
