Электронныегенераторы: мультивибратор. Назначение, принцип действия, применение.
Мультивибраторы
Мультивибраторпредставляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольнойформы. Он является двухкаскадным усилителем на резисторах с положительнойобратной связью, в котором выход каждого каскада соединен со входом другого.Само название «мультивибратор» происходит от двух слов: «мульти»- много и «вибратор» — источник колебаний, поскольку колебаниямультивибратора содержат большое число гармоник. Мультивибратор может работатьв автоколебательном режиме, режиме синхронизации и ждущем режиме. Вавтоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор ссамовозбуждением, в режиме синхронизации на мультивибратор действует извнесинхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту импульсов, нуа в ждущем режиме мультивибратор работает как генератор с внешним возбуждением.Мультивибраторв автоколебательном режиме
На рисунке 1 показананаиболее распространенная схема мультивибратора на транзисторах с емкостнымиколлекторно-базовыми связями, на рисунке 2 — графики, поясняющие принцип егоработы. Мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов на резиках. Выходкаждого каскада соединен со входом другого каскада через кондеры С1 и С2.
/>
Рис. 1 — Мультивибратор на транзисторах с емкостными коллекторно-базовыми связями
Мультивибратор, укоторого транзисторы идентичны, а параметры симметричных элементов одинаковы,называется симметричным. Обе части периода его колебаний равны и скважностьравна 2. Если кто забыл, что такое скважность, напоминаю: скважность — этоотношение периода повторения к длительности импульса Q=Tи/tи.Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения. Так вот,если имеются различия в параметрах, то мультивибратор будет несимметричным.
Мультивибратор вавтоколебательном режиме имеет два состояния квазиравновесия, когда один изтранзисторов находится в режиме насыщения, другой — в режиме отсечки инаоборот. Эти состояния не устойчивые. Переход схемы из одного состояния вдругое происходит лавинообразно из-за глубокой ПОС.
/>
Рис. 2 — Графики, поясняющие работу симметричного мультивибратора
Допустим, при включениипитания транзистор VT1 открыт и насыщен током, проходящим через резик R3.Напряжение на его коллекторе минимально. Кондер С1 разряжается. Транзистор VT2закрыт и кондер С2 заряжается. Напряжение на кондере С1 стремится к нулю, апотенциал на базе транзистора VT2 постепенно становится положительным и VT2начинает открываться. Напряжение на его коллекторе уменьшается и кондер С2начинает разряжаться, транзистор VT1 закрывается. Далее процесс повторяется добесконечности.
Параеметры схемы должныбыть следующими: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Длительность импульсов определяется поформуле:
/>
/>
Период импульсовопределяется:
/>
Ну а чтобы определитьчастоту, надо единицу разделить на вот эту вот хренотень (см. чуть выше).
Выходные импульсыснимаются с коллектора одного из транзисторов, причем с какого именно — неважно. Другими словами, в схеме два выхода.
Улучшение формы выходныхимпульсов мультивибратора, снимаемых с коллектора транзистора, может бытьдостигнуто включением разделительных (отключающих) диодов в цепи коллекторов,как показано на рисунке 3. Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкамподключены дополнительные резики Rд1 и Rд2.
/>
Рис. 3 — Мультивибратор с улучшенной формой выходных импульсов
В этой схеме послезакрывания одного из транзисторов и понижения потенциалла коллектораподключенный к его коллектору диод также закрывается, отключая кондер отколлекторной цепи. Заряд кондера происходит через дополнительный резик Rд,а не через резик в коллекторной цепи, и потенциал коллектора запирающегосятранзистора почти скачком становится равным Eк. Максимальнаядлительность фронтов импульсов в коллекторных цепях определяется в основномчастотными свойствами транзисторов.
Такая схема позволяетполучить импульсы почти прямоугольной формы, но её недостатки заключаются вболее низкой максимальной скважности и невозможностью плавной регулировкипериода колебаний.
На рисунке 4 приведенасхема быстродействующего мультивибратора, обеспечивающая высокую частотуавтоколебаний.
/>
Рис. 4 — Быстродействующий мультивибратор
В этой схеме резики R2,R4 подключены параллельно кондерам С1 и С2, а резики R1, R3 ,R4, R6 образуютделители напряжения, стабилизирующие потенциал базы открытого транзистора (притоке делителя, большем тока базы). При переключении мультивибратора ток базынасыщенного транзистора изменяется более резко, чем в ранее рассмотренныхсхемах, что сокращает время рассасывания зарядов в базе и ускоряет выходтранзистора из насыщения.Ждущиймультивибратор
Мультивибратор, работающийв автоколебательном режиме и не имеющий состояния устойчивого равновесия, можнопревратить в мультивибратор, имеющий одно устойчивое положение и однонеустойчивое положение. Такие схемы называются ждущими мультивибраторами илиодновибриторами, одноимпульсными мультивибраторами, релаксационными реле иликипп-реле. Перевод схемы из устойчивого состояния в неустойчивое происходитпутем воздействия внешнего запускающего импульса. В неустойчивом положениисхема находится в течение некоторого времени в зависимости от её параметров, азатем автоматически, скачком возвращается в первоначальное устойчивоесостояние.
Для получения ждущегорежима в мультивибраторе, схема которого была показана на рис. 1, надо выкинутьпару деталюшек и заменить их, как показано на рис. 5.
/>
Рис. 5 — Ждущий мультивибратор
В исходном устойчивомсостоянии транзистор VT1 закрыт. Когда на вход схемы приходит положительныйзапускающий импульс достаточной амплитуды, через транзистор начинает проходитьколлекторный ток. Изменение напряжения на коллекторе транзистра VT1 передаетсячерез кондер С2 на базу транзистора VT2. Благодаря ПОС (через резик R4)нарастает лавинообразный процесс, приводящий к закрыванию транзистора VT2 иоткрыванию транзистора VT1. В этом состоянии неустойчивого равновесия схеманаходится до тех пор, пока кондер С2 не разрядится через резик R2 и проводящийтранзистор VT1. После разряда кондера транзистор VT2 открывается, а VT1закрывается и схема возвращается в исходное состояние.
Блокинг-генераторы
Блокинг-генераторпредставляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременныхимпульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемойимпульсным трансформатором. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеютбольшую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительностьимпульсов может быть в пределах от нескольких десятков нс до нескольких сотенмкс. Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности, т. е.длительность импульсов много меньше периода их повторения. Скважность можетбыть от нескольких сотен до десятков тысяч. Транзистор, на котором собранблокинг-генератор, открывается только на время генерирования импульса, аостальное время закрыт. Поэтому при большой скважности время, в течениикоторого транзистор открыт, много меньше времени, в течении которого он закрыт.Тепловой режим транзистора зависит от средней мощности, рассеиваемой наколлекторе. Благодаря большой скважности в блокинг-генераторе можно получитьочень большую мощность во время импульсов малой и средней мощности.
При большой скважностиблокинг-генератор работает весьма экономично, так как транзистор потребляетэнергию от источника питания только в течении небольшого времени формированияимпульса. Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать вавтоколебательном, ждущем режиме и режиме синхронизации.Автоколебательныйрежим
Блокинг-генераторы могутбыть собраны на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или по схеме с ОБ. Схемус ОЭ применяют чаще, так как она позволяет получить лучшую форму генерируемыхимпульсов (меньшую длительность фронта), хотя схема с ОБ более стабильна поотношению к изменению параметров транзистора.
Схема блокинг-генераторапоказана на рис. 1.
/>
Рис. 1 — Блокинг-генератор
Работу блокинг-генератораможно разделить на две стадии. В первой стадии, занимающей большую частьпериода колебаний, транзистор закрыт, а во второй — транзистор открыт ипроисходит формирование импульса. Закрытое состояние транзистора в первойстадии поддерживается напряжением на кондере С1, заряженным током базы во времягенерации предыдущего импульса. В первой стадии кондер медленно разряжаетсячерез большое сопротивление резика R1, создавая близкий к нулевому потенциал набазе транзистора VT1 и он остается закрытым.
Когда напряжение на базедостигнет порога открывания транзистора, он открывается и через коллекторнуюобмотку I трансформатора Т начинает протекать ток. При этом в базовой обмоткеII индуктируется напряжение, полярность которого должна быть такой, чтобы оносоздавало положительный потенциал на базе. Если обмотки I и II включенынеправильно, то блокинг-генератор не будет генерировать. Значится, концы однойиз обмоток, неважно какой, необходимо поменять местами.
Положительное напряжение,возникшее в базовой обмотке, приведет к дальнейшему увеличению коллекторноготока и тем самым — к дальнейшему увеличению положительного напряжения на базе ит. д. Развивается лавинообразный процесс увеличения коллекторного тока инапряжения на базе. При увеличении коллекторного тока происходит резкое падениенапряжения на коллекторе.
Лавинообразный процессоткрывания транзистора, называющийся прямым блокинг-процессом, происходит оченьбыстро, и поэтому во время его протекания напряжение на кондере С1 и энергиямагнитного поля в сердечнике практически не изменяются. В ходе этого процессаформируется фронт импульса. Процесс заканчивается переходом транзистора в режимнасыщения, в котором транзистор утрачивает свои усилительные свойства, и врезультате положительная обратная связь нарушается. Начинается этап формированиявершины импульса, во время которого рассасываются неосновные носители,накопленные в базе, и кондер С1 заряжается базовым током.
Когда напряжение на базепостепенно приблизится к нулевому потенциалу, транзистор выходит из режиманасыщения и тогда восстанавливаются его усилительные свойства. Уменьшение токабазы вызывает уменьшение тока коллектора. При этом в базовой обмоткеиндуктируется напряжение, отрицательное относительно базы, что вызывает ещёбольшее уменьшение тока коллектора и т. д. Образуется лавинообразный процесс,называемый обратным блокинг-процессом, в результате которого транзисторзакрывается. Во время этого процесса формируется срез импульса.
Так как за времяобратного блокинг-процесса напряжение на кондере С1 и энергия магнитного поля всердечнике не успевают измениться, то после закрывания транзистораположительное напряжение на коллекторе продолжает расти и образуетсяхарактерный для блокинг-генератора выброс напряжения, после которого могутобразоваться паразитные колебания.
Обратный выброснапряжения значительно увеличивает напряжение на коллекторе закрытоготранзистора, создавая опасность его пробоя. Отрицательные полупериодыпаразитных колебаний, трансформируясь в базовую цепь, могут вызвать открываниетранзистора, т. е. ложное срабатывание схемы.
Для ограничения обратноговыброса включают «демпферный» диод VD1. Во время основного процессадиод закрыт и не влияет на работу блокинг-генератора. Диод VD1 включаетсяпараллельно коллекторной обмотке трансформатора.
Опосля всех этих процессовпроисходит восстановление схемы в исходное состояние. Это и будет промежутокмежду импульсами. Процесс, так сказать, молчания заключается в медленномразряде кондера С1 через резик R1. Напряжение на безе при этом медленно растет,пока не достигнет порога открывания транзистора и процесс повторяется.
Период следованияимпульсов можно приближенно определить по формуле:
Tи≈(3÷5)R1C1Ждущий режим
По аналогии с мультивибратором,для блокинг-генератора этот режим характерен тем, что схема генерирует импульсытолько при поступлении на её вход запускающих импульсов произвольной формы. Дляполучения ждущего резима в блокинг-генератор длжно быть включено запирающеенапряжение (рис. 2).
/>
Рис. 2 — Блокинг-генератор в ждущем режиме
В исходном состояниитранзистор закрыт отрицательным смещением на базе (-Eб) и прямойблокинг-процесс начинается только после подачи на базу транзистораположительного импульса достаточной амплитуды. Формирование импульсаосуществляется так же, как и в автоколебательном режиме. Разряд кондера С послеокончания импульса происходит до напряжения -Eб. Затем транзисторостается закрытым до прихода следующего запускающего импульса. Форма идлительность импульсов, формируемых блокинг-генератором, зависит при этом отпараметров схемы.
Для нормальной работыждущего блокинг-генератора необходимо выполнить неравенство:
Тз≥(5÷10)R1C1
где Тз — период повторения запускающих импульсов.
Для устранения влиянияцепей запуска на работу ждущего блокинг-генератора включают раздельтельный диодVD2, который закрывается после открывания транзистора, в результате чегопрекращается связь между блокинг-генератором и схемой запуска. Иногда в цепьзапуска включают дополнительный каскад развязки (эмиттерный повторитель).
Двигателипостоянного тока: принцип действия, пуск, регулирование скорости вращения,искусственные характеристики.
Различают статические идинамические режимы работы двигателей. В статическом режиме ω=const; IЯ=const; UДВ=const и он описывается такназываемыми механическими характеристиками
/>.
В статическом режимедвигатель независимого возбуждения описывается следующей системой уравнений:
/>/>
где первое уравнение — уравнение якорной цепи, второе и третье — />и />, четвертое — механическоеуравнение, пятое — уравнение цепи возбуждения.
Из первых четырехуравнений />получимуравнение механической характеристики:
/>/>
Поскольку применяемые всистемах автоматического управления двигатели являются управляемыми, различаютдва типа управления двигателями постоянного тока — якорное управление иполюсное управление.
При якорном управлениипроизводится изменение напряжения, подаваемого в якорную цепь без изменениявозбуждения. При полюсном управлении, наоборот, меняется поле возбуждения путемизменения тока в обмотках главных полюсов iB. Для расширениядиапазона управления применяют также комбинированное управление.
При полюсном управлении ФB=const, поэтому уравнениемеханической характеристики согласно />будет иметь вид:
/>/>
Графически этахарактеристика при фиксированном напряжении на двигателе представляет собойпрямую, пересекающую координатные оси в точках ω0и MК.З. (см. />), где ω0-частота вращения холостого хода, а MК.З. — момент короткого замыкания, когда ротордвигателя неподвижен.
/>
Рис. 5-6а. Статическаяхарактеристика ДПТ.
Электрическая машинаработает в режиме двигателя при 0MК.З. происходит вращение двигателя в противоположнуюсторону под действием внешнего момента — машина работает в режиме тормоза(режим противовключения), при ω>ω0машина работает врежиме генератора на сеть, имеющую напряжение UH.
/>
Рис. 5-6б. Статическаяхарактеристика ДПТ.
Механическиехарактеристики при различных напряжениях питания двигателя выглядят, каксемейство прямых, показанных на />. Часто их строят в функции токаякоря IЯ, тогда аналитическое выражение для механических характеристикпримет вид:
/>/>,
откуда видно, что падениескорости при нагрузке двигателя зависит исключительно от сопротивления якорнойцепи RЯ.
Кроме механических,существуют регулировочные характеристики. Для якорного управления этозависимость частоты вращения от напряжения питания UДВ. Вид этих характеристикпоказан на />,где UТР — напряжение трогания двигателя.
Регулировочнаяхарактеристика для полюсного управления может быть получена из />при UДВ=const.
/>
Рис. 5-6в. Статическаяхарактеристика ДПТ.
Вид этих характеристикпри различных нагрузках показан на />.
/>
Рис. 5-6г. Статическаяхарактеристика ДПТ.
Для холостого хода, когдаM=0, эта характеристикаимеет вид гиперболы
/>
Двигатель постоянноготока как динамическая система описывается следующими уравнениями в операторнойформе:
/>/>
На основании этихуравнений может быть построена структурная схема двигателя как динамическойсистемы (/>).
/>
Рис. 5-7а. Структурнаясхема ДПТ.
Из структурной схемуполучим передаточные функции двигателя:
/>/>
/>/>
где /> — коэффициент передачи, /> — постояннаявремени якоря, /> — электромеханическая постояннаявремени.
Пользуясь формулойХевисайда, по передаточным функциям можно построить переходные процессы,например при пуске двигателя, как это показано на />.
/>
Рис. 5-7б. Переходныйпроцесс при пуске ДПТ.
При TM»TЯ, как это обычно бывает,получим выражения для тока и скорости при пуске:
/>
/>
Для анализа динамикидвигателя постоянного тока при полюсном управлении рассматривают уравнения,аналогичные уравнениям />в отклонениях, так какрегулировочная характеристика при полюсном управлении является нелинейной.
/>
Рис. 5-8б. Переходныйпроцесс при пуске ДПТ при полюсном управлении.Типовые схемы управления электрическими двигателямипостоянного тока
Пуск в ход двигателей постоянноготока
В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподвижен,противо-ЭДС равна нулю (Е=0). При непосредственном включении двигателя в сеть вобмотке якоря будет протекать чрезмерно большой ток Iпус=U/Rя. Поэтомунепосредственное включение в сеть допускается только для двигателя оченьмаленькой мощности, у которых значение падения напряжения в якоре относительнобольшое и изменения тока не столь велики.
В машинах постоянного тока большой мощности падениенапряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет несколько процентовот номинального напряжения, т.е.
IRя=(0,02—0,01)U. Следовательно, пусковой ток в случае включения двигателяв сеть с номинальным напряжением во много раз превышает номинальный.
При пуске в ход для ограничения пускового тока используютреостаты, включаемые последовательно с якорем двигателя.
Пусковые реостаты представляют собой проволочныесопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы, и выполняютсяступенчатыми, что дает возможность изменять ток в якоре двигателя в процессепуска его в ход.
Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковымреостатом показана на рис.24.
/>
Рис.24
Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима,обозначаемые буквами Л, Я, Ш. Зажим Л соединен с движком реостата иподключается к одному из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлениемреостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с металлической шиной,помещенной на реостате (шунт). Движок реостата скользит по шине так, что междуними имеется непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочный резистор Rр присоединяетсяобмотка возбуждения. Другие зажимы якоря и обмотки возбуждения соединены междусобой перемычкой и подключены к другому полюсу рубильника, включающегодвигатель в сеть. При пуске в ход включается рубильник и движок реостатапереводится на контакт 1, так, что последовательно с якорем соединено полноесопротивление реостата ПР, которое выбирается таким, чтобы больший ток припуске в ход Imax не превышал номинальный ток более чем в 1,7¸2,5 раза, т.е. Rn=(U/Imax)—Rя. При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждениятакже проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействиятока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент. Если пусковоймомент окажется больше тормозного момента на валу двигателя (Мпуск>Мт),то якорь машины придет во вращение.
Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения Imin,движок пускового реостата переводится на контакт 2, при этом сопротивлениереостата уменьшится на одну ступень. Ток в якоре снова возрастет до значения Imax, ас увеличением тока в якоре возрастет вращающий момент, вследствие чего частотавращения ротора вновь увеличится. Переключая движок реостата, сопротивлениепускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будетвыведено (движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и частотавращения якоря принимают установившиеся значения.
При отключении двигателя от сети металлическая шинапускового реостата должна быть соединена с зажимом 1. Это необходимо для того,чтобы не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющий значительнуюиндуктивность. Кроме того, движок пускового реостата переводится на холостойконтакт 0, и рубильник отключается.
Регулирование частоты вращения двигателейпостоянного тока
В двигателях постоянного тока имеется возможность плавно иэкономично регулировать частоту вращения в широких пределах. Благодаря этомувесьма ценному свойству они получили широкое распространение и часто являютсянезаменимыми. Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбужденияопределяется следующим выражением:
/>,
где Rc – сопротивление последовательной обмотки возбуждения (Длядвигателя параллельного возбуждения Rc=0). Это выражение показывает, что частота вращениядвигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитногопотока.
Частоту вращения регулируют путем изменения напряжениясети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя являетсякакой-либо генератор.
Для регулирования частоты вращения двигателя изменениемсопротивления цепи якоря используется регулировочный реостат, включенныйпоследовательно с якорем. В отличие от пускового регулировочный реостат долженбыть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочногореостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшаетсяКПД двигателя.
Регулируют частоту вращения якоря двигателя такжеизменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. Вдвигателях параллельного и смешанного возбуждения включается регулировочныйреостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируютобмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением. Этот способрегулирования частоты практически не создает дополнительных потерь иэкономичен.
Автоматическое управлениедвигателями постоянного тока
Типовая схема автоматического пуска двигателя в функциивремени в две ступени показана на рис.25
/>
Рис.25
Для автоматического пуска используют два электромагнитныхреле времени КТ1 и КТ2, контакты которых работают с выдержкой времени назамыкание. После подачи напряжения в цепь управления (перед пуском двигателя)реле КТ1 получает питание и, втягиваясь, размыкает свой контакт, не позволяятем самым сразу включать контакторы ускорения КМ2 и КМ3. После включенияконтактора КМ1 двигатель работает на искусственной характеристике 1(см.рис.26). Одновременно размыкается нормально замкнутый контакт в цепикатушки реле времени КТ1 и замыкается нормально разомкнутый контакт в цепиконтакторов КМ2 и КМ3. Через выдержку времени, достаточную для разгонадвигателя по искусственной характеристики 1, реле времени КТ1 замыкает свойконтакт в цепи контакторов КМ2 и КМ3. Контактор КМ2 включается (выбрасываетсяиз главной цепи сопротивление R2) и двигатель переходит на искусственную характеристику 2.При замкнутом контакте КМ2 катушка реле времени КТ2 теряет питание и черезвыдержку времени, достаточную для разгона двигателя по искусственнойхарактеристики 2, замыкает свой контакт в цепи катушки КМ3. Контакт КМ3замыкается (выбрасывается из главной цепи сопротивление R2) и двигательпереходит на естественную характеристику 3.
/>/>/>n (об/мин)
/>/> 3
2
1
Ia(А)
Ina