Електронні генератори: мультивибратор. Призначення, принцип дії, застосування.
Мультивібратори
Мультивибратор представляє собою релаксаційний генератор коливань майже прямокутної форми. Він є двокаскадного підсилювачем на резисторах з позитивним зворотним зв'язком, в якому вихід кожного каскаду з'єднаний зі входом іншого. Сама назва "мультивібратор" походить від двох слів: "мульти" - багато і "вібратор" - джерело коливань, оскільки коливання мультивібратора містять велику кількість гармонік. Мультивибратор може працювати в автоколивальному режимі, режимі синхронізації і режимі очікування. У автоколивальному режимі мультивібратор працює як генератор з самозбудженням, в режимі синхронізації на мультивібратор діє ззовні синхронізуючий напруга, частота якого визначає частоту імпульсів, ну а в режимі очікування мультивібратор працює як генератор із зовнішнім збудженням.
Мультивибратор в автоколивальному режимі
На малюнку 1 показана найпоширеніша схема мультивібратора на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв'язками, на малюнку 2 - графіки, що пояснюють принцип його роботи. Мультивибратор складається з двох підсилювальних каскадів на резіках. Вихід кожного каскаду з'єднаний зі входом другого каскаду через кондери С1 і С2.
Рис. 1 - Мультивибратор на транзисторах з ємнісними колекторно-базовими зв'язками
Мультивибратор, у якого транзистори ідентичні, а параметри симетричних елементів однакові, називається симетричним. Обидві частини періоду його коливань рівні і шпаруватість дорівнює 2. Якщо хто забув, що таке шпаруватість, нагадую: шпаруватість - це відношення періоду повторення до тривалості імпульсу Q = T і / t і. Величина, зворотна шпаруватості називається коефіцієнтом заповнення. Так от, якщо є відмінності в параметрах, то мультивібратор буде несиметричним.
Мультивибратор в автоколивальному режимі має два стани квазірівноваги, коли один з транзисторів знаходиться в режимі насичення, інший - у режимі відсічення і навпаки. Ці стани не стійкі. Перехід схеми з одного стану в інший відбувається лавиноподібно через глибоку ПОС.
Рис. 2 - Графіки, що пояснюють роботу симетричного мультивібратора
Припустимо, при включенні харчування транзистор VT1 відкритий і насичений струмом, що проходить через резік R3. Напруга на його колекторі мінімально. Кондер С1 розряджається. Транзистор VT2 закритий і кондер С2 заряджається. Напруга на кондери С1 прагне до нуля, а потенціал на базі транзистора VT2 поступово стає позитивним і VT2 починає відкриватися. Напруга на його колекторі зменшується і кондер С2 починає розряджатися, транзистор VT1 закривається. Далі процес повторюється до нескінченності.
Параеметри схеми повинні бути наступними: R1 = R4, R2 = R3, C1 = C2. Тривалість імпульсів визначається за формулою:
Період імпульсів визначається:
Ну а щоб визначити частоту, треба одиницю розділити на ось цю от хренотень (див. трохи вище).
Вихідні імпульси знімаються з колектора одного з транзисторів, причому з якого саме - не важливо. Іншими словами, у схемі два виходи.
Поліпшення форми вихідних імпульсів мультивібратора, що знімаються з колектора транзистора, може бути досягнуто включенням розділювальних (вимикаючих) діодів в ланцюзі колекторів, як показано на малюнку 3. Через ці діоди паралельно колекторним навантаженням підключені додаткові резікі R д1 і R д2.
Рис. 3 - Мультивибратор з поліпшеною формою вихідних імпульсів
У цій схемі після закривання одного з транзисторів і зниження потенціалла колектора підключений до його колектору діод також закривається, відключаючи кондер від колекторної ланцюга. Заряд Кондера відбувається через додатковий резік R д, а не через резік в колекторному ланцюзі, і потенціал колектора замикаючого транзистора майже стрибком стає рівним E к. Максимальна тривалість фронтів імпульсів в колекторних ланцюгах визначається в основному частотними властивостями транзисторів.
Така схема дозволяє отримати імпульси майже прямокутної форми, але її недоліки полягають у більш низькій максимальної шпаруватості і неможливістю плавного регулювання періоду коливань.
На малюнку 4 наведена схема швидкодіючого мультивібратора, що забезпечує високу частоту автоколивань.
Рис. 4 - Швидкодіючий мультивібратор
У цій схемі резікі R2, R4 підключені паралельно кондером С1 і С2, а резікі R1, R3, R4, R6 утворюють подільники напруги, стабілізуючі потенціал бази відкритого транзистора (при струмі дільника, більшому струму бази). При перемиканні мультивібратора струм бази насиченого транзистора змінюється більш різко, ніж у раніше розглянутих схемах, що скорочує час розсмоктування зарядів в базі і прискорює вихід транзистора з насичення.
Режим мультивібратор
Мультивибратор, що працює в автоколивальному режимі і не має стану стійкої рівноваги, можна перетворити на мультивібратор, що має одне стійке положення і одне нестійке становище. Такі схеми називаються чекає мультивибратор або одновібріторамі, одноімпульснимі мультивібратора, релаксаційним реле або кіпп-реле. Переклад схеми зі стійкого стану в нестійке відбувається шляхом впливу зовнішнього імпульсу, що запускає. У нестійкому положенні схема знаходиться протягом деякого часу в залежності від її параметрів, а потім автоматично, стрибком повертається в початкове стійкий стан.
Для отримання режиму очікування в мультивібраторі, схема якого була показана на рис. 1, треба викинути пару деталюшек і замінити їх, як показано на рис. 5.
Рис. 5 - Режим мультивібратор
У вихідному стійкому стані транзистор VT1 закритий. Коли на вхід схеми приходить позитивний запускає імпульс достатньої амплітуди, через транзистор починає проходити колекторний струм. Зміна напруги на колекторі транзістра VT1 передається через кондер С2 на базу транзистора VT2. Завдяки ПОС (через резік R4) наростає лавиноподібний процес, що призводить до закривання транзистора VT2 і відкриванню транзистора VT1. У цьому стані нестійкої рівноваги схема перебуває до тих пір, поки кондер С2 не розрядиться через резік R2 і проводить транзистор VT1. Після розряду Кондера транзистор VT2 відкривається, а VT1 закривається і схема повертається в початковий стан.
Блокінг-генератори
Блокінг-генератор являє собою однокаскадний релаксаційний генератор короткочасних імпульсів з сильною індуктивного позитивним зворотним зв'язком, створюваної імпульсним трансформатором. Вироблювані блокінг-генератором імпульси мають велику крутизну фронту і зрізу і за формою близькі до прямокутним. Тривалість імпульсів може бути в межах від декількох десятків нс до декількох сотень мкс. Зазвичай блокінг-генератор працює в режимі великий шпаруватості, тобто тривалість імпульсів багато менше періоду їх повторення. Шпаруватість може бути від кількох сотень до десятків тисяч. Транзистор, на якому зібрано блокінг-генератор, відкривається тільки на час генерування імпульсу, а решту часу закритий. Тому при великій шпаруватості час, протягом якого транзистор відкритий, багато менше часу, протягом якого він закритий. Тепловий режим транзистора залежить від середньої потужності, що розсіюється на колекторі. Завдяки великій шпаруватості в блокінг-генераторі можна отримати дуже велику потужність під час імпульсів малої і середньої потужності.
При великій шпаруватості блокінг-генератор працює вельми економічно, так як транзистор споживає енергію від джерела живлення тільки протягом невеликого часу формування імпульсу. Так само, як і мультивібратор, блокінг-генератор може працювати в автоколивальному, що чекає, режимі і режимі синхронізації.
Автоколивальний режим
Блокінг-генератори можуть бути зібрані на транзисторах, включених по схемі з ОЕ або за схемою з ПРО. Схему з ОЕ застосовують частіше, так як вона дозволяє отримати кращу форму генерованих імпульсів (меншу тривалість фронту), хоча схема з ПРО більш стабільна по відношенню до зміни параметрів транзистора.
Схема блокінг-генератора показана на рис. 1.
Рис. 1 - блокінг-генератор
Роботу блокінг-генератора можна розділити на дві стадії. У першій стадії, що займає більшу частину періоду коливань, транзистор закритий, а в другій - транзистор відкритий і відбувається формування імпульсу. Закрите стан транзистора в першій стадії підтримується напругою на кондери С1, зарядженим струмом бази під час генерації попереднього імпульсу. У першій стадії кондер повільно розряджається через великий опір резіка R1, створюючи близький до нульового потенціал на базі транзистора VT1 і він залишається закритим.
Коли напруга на базі досягне порогу відкривання транзистора, він відкривається і через колекторних обмотку I трансформатора Т починає протікати струм. При цьому в базовій обмотці II індукується напруга, полярність якого повинна бути такою, щоб воно створювало позитивний потенціал на базі. Якщо обмотки I і II включені неправильно, то блокінг-генератор не буде генерувати. Значиться, кінці однієї з обмоток, неважливо який, необхідно поміняти місцями.
Позитивне напруження, що виникло в базовій обмотці, призведе до подальшого збільшення колекторного струму і тим самим - до подальшого збільшення позитивного напруги на базі і т. д. Розвивається лавиноподібний процес збільшення колекторного струму та напруги на базі. При збільшенні колекторного струму відбувається різке падіння напруги на колекторі.
Лавиноподібний процес відкривання транзистора, називається прямим блокінг-процесом, відбувається дуже швидко, і тому під час його протікання напруга на кондери С1 і енергія магнітного поля в сердечнику практично не змінюються. У ході цього процесу формується фронт імпульсу. Процес закінчується переходом транзистора в режим насичення, в якому транзистор втрачає свої підсилювальні властивості, і в результаті позитивний зворотний зв'язок порушується. Починається етап формування вершини імпульсу, під час якого розсмоктуються неосновні носії, накопичені в базі, і кондер С1 заряджається базовим струмом.
Коли напруга на базі поступово наблизиться до нульового потенціалу, транзистор виходить з режиму насичення і тоді відновлюються його підсилювальні властивості. Зменшення струму бази викликає зменшення струму колектора. При цьому в базовій обмотці індукується напруга, негативне щодо бази, що викликає ще більше зменшення струму колектора і т. д. Утворюється лавиноподібний процес, званий зворотним блокінг-процесом, в результаті якого транзистор закривається. Під час цього процесу формується зріз імпульсу.
Так як за час зворотного блокінг-процесу напруга на кондери С1 і енергія магнітного поля в сердечнику не встигають змінитися, то після закривання транзистора позитивне напруга на колекторі продовжує рости і утворюється характерний для блокінг-генератора викид напруги, після якого можуть утворитися паразитні коливання.
Зворотний викид напруги значно збільшує напругу на колекторі закритого транзистора, створюючи небезпеку його пробою. Негативні напівперіоди паразитних коливань, трансформуючись у базовий ланцюг, можуть викликати відкривання транзистора, тобто помилкове спрацьовування схеми.
Для обмеження зворотного викиду включають "демпферний" діод VD1. Під час основного процесу діод закритий і не впливає на роботу блокінг-генератора. Діод VD1 включається паралельно колекторної обмотці трансформатора.
Після всіх цих процесів відбувається відновлення схеми в початковий стан. Це і буде проміжок між імпульсами. Процес, так би мовити, мовчання полягає в повільному розряді Кондера С1 через резік R1. Напруга на безе при цьому повільно зростає, поки не досягне порогу відкривання транзистора і процес повторюється.
Період проходження імпульсів можна наближено визначити за формулою:
T і ≈ (3 ÷ 5) R1C1
Режим очікування
За аналогією з мультивібратором, для блокінг-генератора цей режим характерний тим, що схема генерує імпульси тільки при вступі на її вхід імпульсів, що запускають довільної форми. Для отримання чекає резіма в блокінг-генератор длжно бути включено замикаючий напруга (рис. 2).
Рис. 2 - блокінг-генератор в режимі очікування
У початковому стані транзистор закритий негативним зміщенням на базі (-E б) і прямий блокінг-процес починається тільки після подачі на базу транзистора позитивного імпульсу достатньої амплітуди. Формування імпульсу здійснюється так само, як і в автоколивальному режимі. Розряд Кондера С після закінчення імпульсу відбувається до напруги-E б. Потім транзистор залишається закритим до приходу наступного імпульсу, що запускає. Форма і тривалість імпульсів, що формуються блокінг-генератором, залежить при цьому від параметрів схеми.
Для нормальної роботи чекає блокінг-генератора необхідно виконати нерівність:
Т з ≥ (5 ÷ 10) R1C1
де Т з - період повторення імпульсів, що запускають.
Для усунення впливу кіл запуску на роботу чекає блокінг-генератора включають раздельтельний діод VD2, який закривається після відкривання транзистора, в результаті чого припиняється зв'язок між блокінг-генератором і схемою запуску. Іноді в ланцюг запуску включають додатковий каскад розв'язки (емітерний повторювач).
Двигуни постійного струму: принцип дії, пуск, регулювання швидкості обертання, штучні характеристики.
Розрізняють статичні та динамічні режими роботи двигунів. У статичному режимі ω = const; I Я = const; U ДВ = const і він описується так званими механічними характеристиками
.
У статичному режимі двигун незалежного збудження описується наступною системою рівнянь:
де перше рівняння - рівняння якірного ланцюга, друге і третє - і
, Четверте - механічне рівняння, п'яте - рівняння ланцюга збудження.
З перших чотирьох рівнянь отримаємо рівняння механічної характеристики:
Оскільки застосовувані в системах автоматичного управління двигуни є керованими, розрізняють два типи управління двигунами постійного струму - якірне управління і полюсний управління.
При якірному управлінні проводиться зміна напруги, що подається в якірний ланцюг без зміни збудження. При полюсному управлінні, навпаки, змінюється поле збудження шляхом зміни струму в обмотках головних полюсів i B. Для розширення діапазону управління застосовують також комбіноване управління.
При полюсному управлінні Ф B = const, тому рівняння механічної характеристики згідно буде мати вигляд:
Графічно ця характеристика при фіксованій напрузі на двигуні являє собою пряму, що перетинає координатні осі в точках ω 0 і M К.З. (див. ), Де ω 0 - частота обертання холостого ходу, а M К.З. - момент короткого замикання, коли ротор двигуна нерухомий.
Рис. 5-6а. Статична характеристика ДПТ.
Електрична машина працює в режимі двигуна при 0 <M <M К.З., при M> M К.З. відбувається обертання двигуна в протилежну сторону під дією зовнішнього моменту - машина працює в режимі гальма (режим противовключення), при ω> ω 0 машина працює в режимі генератора на мережу, що має напругу U H.
Рис. 5-6б. Статична характеристика ДПТ.
Механічні характеристики при різних напругах живлення двигуна виглядають, як сімейство прямих, показаних на . Часто їх будують у функції струму якоря I Я, тоді аналітичний вираз для механічних характеристик прийме вигляд:
,
звідки видно, що падіння швидкості при навантаженні двигуна залежить виключно від опору якірного ланцюга R Я.
Крім механічних, існують регулювальні характеристики. Для якірного управління це залежність частоти обертання від напруги живлення U ДВ. Вигляд цих характеристик показаний на , Де U ТР - напруга рушання двигуна.
Регулювальна характеристика для полюсного управління може бути отримана з при U ДВ = const.
Рис. 5-6в. Статична характеристика ДПТ.
Вигляд цих характеристик при різних навантаженнях показаний на .
Рис. 5-6г. Статична характеристика ДПТ.
Для холостого ходу, коли M = 0, ця характеристика має вигляд гіперболи
Двигун постійного струму як динамічна система описується наступними рівняннями в операторної формі:
На підставі цих рівнянь може бути побудована структурна схема двигуна як динамічної системи ( ).
Рис. 5-7а. Структурна схема ДПТ.
З структурної схему отримаємо передавальні функції двигуна:
де - Коефіцієнт передачі,
- Постійна часу якоря,
- Електромеханічна стала часу.
Користуючись формулою Хевісайда, за передавальним функцій можна побудувати перехідні процеси, наприклад при пуску двигуна, як це показано на .
Рис. 5-7б. Перехідний процес при пуску ДПТ.
При T M »T Я, як це зазвичай буває, отримаємо вирази для струму і швидкості при пуску:
Для аналізу динаміки двигуна постійного струму при полюсному управлінні розглядають рівняння, аналогічні рівнянням у відхиленнях, так як регулювальна характеристика при полюсному управлінні є нелінійною.
Рис. 5-8б. Перехідний процес при пуску ДПТ при полюсному управлінні.
Типові схеми управління електричними двигунами постійного струму
Пуск в хід двигунів постійного струму
У початковий момент пуску в хід якір двигуна нерухомий, проти-ЕРС дорівнює нулю (Е = 0). При безпосередньому включенні двигуна в мережу в обмотці якоря буде протікати надмірно великий струм I пус = U / R я. Тому безпосереднє включення в мережу допускається тільки для двигуна дуже малої потужності, у яких значення падіння напруги в якорі відносно велика і зміни струму не настільки великі.
У машинах постійного струму великої потужності падіння напруги в обмотці якоря при повному навантаженні становить кілька відсотків від номінальної напруги, тобто
IR я = (0,02-0,01) U. Отже, пусковий струм у разі включення двигуна в мережу з номінальною напругою у багато разів перевищує номінальний.
При пуску в хід для обмеження пускового струму використовують реостати, що включаються послідовно з якорем двигуна.
Пускові реостати представляють собою дротяні опору, що розраховуються на короткочасний режим роботи, і виконуються ступінчастими, що дає можливість змінювати струм в якорі двигуна в процесі пуску його в хід.
Схема двигуна паралельного збудження з пусковим реостатом показана на рис.24.
Рис.24
Пусковий реостат цього двигуна має три затиску, що позначаються буквами Л, Я, Ш. Затиск Л з'єднаний з движком реостата і підключається до одного з полюсів рубильника (в лінію). Затиск Я з'єднується з опором реостата і підключається до зажиму якоря. Затиск Ш з'єднаний з металевою шиною, вміщеній на реостате (шунт). Движок реостата ковзає по шині так, що між ними є безперервний контакт. До затискача Ш через регулювальний резистор R р приєднується обмотка збудження. Інші затискачі якоря і обмотки збудження з'єднані між собою перемичкою і підключені до іншого полюсу рубильника, що включає двигун в мережу. При пуску в хід включається рубильник і движок реостата перекладається на контакт 1, так, що послідовно з якорем з'єднане повний опір реостата ПР, яке вибирається таким, щоб більший струм при пуску в хід I max не перевищував номінальний струм більш ніж в 1,7 ¸ 2,5 рази, тобто R n = (U / I max) - R я. При включенні двигуна в мережу по обмотці збудження також проходить струм, що збуджує магнітний потік. У результаті взаємодії струму в якорі з магнітним полем полюсів створюється пусковий момент. Якщо пусковий момент виявиться більше гальмівного моменту на валу двигуна (М пуск> М т), то якір машини прийде в обертання.
Коли струм в якорі зменшиться до невеликого значення I min, движок пускового реостата перекладається на контакт 2, при цьому опір реостата зменшиться на одну ступінь. Струм в якорі знову зросте до значення I max, а зі збільшенням струму в якорі зросте обертаючий момент, внаслідок чого частота обертання ротора знову збільшиться. Перемикаючи движок реостата, опір пускового реостата поступово (ступенями) зменшується, поки воно повністю не буде виведено (движок реостата на контакті 5), і в робочому режимі струм і частота обертання якоря беруть встановилися значення.
При відключенні двигуна від мережі металева шина пускового реостата повинна бути з'єднана з затиском 1. Це необхідно для того, щоб не було розриву ланцюга обмотки збудження, що має значну індуктивність. Крім того, движок пускового реостата перекладається на холостий контакт 0, і рубильник відключається.
Регулювання частоти обертання двигунів постійного струму
У двигунах постійного струму є можливість плавно і економічно регулювати частоту обертання в широких межах. Завдяки цьому вельми цінному властивості вони отримали широке розповсюдження і часто є незамінними. Частота обертання якоря двигуна при будь-якій схемі порушення визначається наступним виразом:
,
де Rc - опір послідовної обмотки збудження (Для двигуна паралельного збудження Rc = 0). Цей вираз показує, що частота обертання двигуна залежить від напруги мережі, опору ланцюга якоря і магнітного потоку.
Частоту обертання регулюють шляхом зміни напруги мережі в тому випадку, коли джерелом електричної енергії двигуна є який-небудь генератор.
Для регулювання частоти обертання двигуна зміною опору кола якоря використовується регулювальний реостат, включений послідовно з якорем. На відміну від пускового регулювальний реостат повинен бути розрахований на тривалий шлях струму. В опорі регулювального реостата відбувається велика втрата енергії, внаслідок чого різко зменшується ККД двигуна.
Регулюють частоту обертання якоря двигуна також зміною магнітного потоку, який залежить від струму в обмотці збудження. У двигунах паралельного та змішаного порушення включається регулювальний реостат, а в двигунах послідовного збудження для цієї мети шунтируют обмотку збудження яких-небудь регульованим опором. Цей спосіб регулювання частоти практично не створює додаткових втрат і економічний.
Автоматичне керування двигунами постійного струму
Типова схема автоматичного пуску двигуна в функції часу в два ступені показана на рис.25
Рис.25
Для автоматичного пуску використовують два електромагнітних реле часу КТ1 і КТ2, контакти яких працюють з витримкою часу на замикання. Після подачі напруги в ланцюг управління (перед пуском двигуна) реле КТ1 отримує харчування і, втягуючись, розмикає свій контакт, не дозволяючи тим самим відразу включати контактори прискорення КМ2 і КМ3. Після включення контактора КМ1 двигун працює на штучній характеристиці 1 (см.ріс.26). Одночасно розмикається нормально замкнутий контакт в ланцюзі котушки реле часу КТ1 і замикається нормально розімкнутий контакт у ланцюзі контакторів КМ2 і КМ3. Через витримку часу, достатню для розгону двигуна по штучної характеристики 1, реле часу КТ1 замикає свій контакт в ланцюзі контакторів КМ2 і КМ3. Контактор КМ2 включається (викидається з головного ланцюга опір R 2) і двигун переходить на штучну характеристику 2. При замкнутому контакті КМ2 котушка реле часу КТ2 втрачає харчування і через витримку часу, достатню для розгону двигуна по штучної характеристики 2, замикає свій контакт в ланцюзі котушки КМ3. Контакт КМ3 замикається (викидається з головного ланцюга опір R 2) і двигун переходить на природну характеристику 3.
n (об / хв)
3
2
1
Ia (А)
Ina