Схема сварочного осциллятора. Автоматика в быту. Электронные устройства автоматики.

Сварочные осцилляторы                        В  домашнем  хозяйстве  мастерового  хозяина  всегда    найдётся  сварочный  аппарат .  Как  правило,  это  обычный  трансформатор  мощностью  около  3 кВт ,  со  вторичной  обмоткой  из  медной  или  алюминиевой  шины  с  сечением  25 … 30 мм2  и  напряжением  холостого  хода  60 … 70 В .  Для  сварки  применяются  электроды  переменного  тока ,  которые  стали  относительно  дефицитными .    Более  предпочтительными   являются  электроды  постоянного  тока ,   но  увы …. Сварочный  аппарат  постоянного  тока  ,  работающий  от  однофазной  сети   пока  достаточно  редок .  Причина  тому    —  необходимость  использования  мощного  дросселя  ,  габариты  которого  соизмеримы  с  самим  сварочным  трансформатором .  Кроме  того ,  обязательными  являются  дорогие  мощные  диоды ,  установленные  на  больших  радиаторах .  Масса  такого  аппарата  чуть не  в  два  раза  больше  обычного  . Конечно ,   массу  сварочного  аппарата  можно  уменьшить —  для  этого  применяют  трансформаторы  и  дроссели  меньшей  мощности  и  обмотки  с  меньшим  сечением ,  а  затем  обдувают  мощным  вентилятором .    Для  улучшения  обдува    обмоток   трансформатор и дроссель  располагаются  в  закрытом  с  боков  корпусе  ,  с  торца  которого  установлен  мощный  вентилятор ,  воздушный  поток  которого  проходит  в  зазоре  между  обмотками и  железом  и  выходит  с  другого  торца .  Но  существует  способ  ,  который  позволяет  удерживать сварочную   дугу   при  использовании  электродов  постоянного  тока  на  сварочных  аппаратах  переменного  тока .   Для  этого  на  дугу   подаётся  мощный  короткий  импульс    напряжением  около  200 В , сдвинутый  относительно  начала  полупериода  примерно  на  15 … 20 градусов .  Такое  устройство  называется  сварочным  осциллятором .  Автором  разработано  несколько  таких  устройств, схема одного из них приведена на рисунке Схема  устройства  очень  проста ,  не  содержит  активных  элементов ,  а  поэтому  очень  надёжна .  Выход  осциллятора  подключается  параллельно  сварочной  цепи ,  а  сетевой  шнур  непосредственно  на  сетевые  клеммы   сварочного  трансформатора .  Категорически  не  допускается  подключать  сетевой  шнур  осциллятора   не  к  сварочному  трансформатору  ,  а  в   сетевую  розетку  —  в  этом  случае  ,  при  отключении  сварочного  трансформатора  от  сети ,   не  отключив  осциллятор ,  можно  получить  поражение  электрическим  током , т.к.  на  сетевой  обмотке  возникают  очень  мощные  импульсы  напряжением  в  несколько тысяч  вольт .  При  работе  с  осциллятором  требуется  соблюдать  особую  осторожность .  При  смене  сварочного электрода  обязательно  выключать  устройство.   С  помощью  предлагаемого  осциллятора  и  сварочного  аппарата  переменного  тока  можно  вести  сварку   не  только  обычными  электродами  постоянного  тока ,  но  и  электродами   для  нержавейки ,  а  также   использовать  оборудование  в  аппарате  аргоновой  сварки . Схема устройства очень проста , но имеет определённые недостатки — это опасность поражения электрическим током и отсутствие возможности плавно и стабильно изменять угол включения тиристоров для подбора оптимального режима сварки. Сопротивления резисторов в цепи управляющих электродов тиристоров подбираются экспериментально , чтобы угол открытия не превышал 20 градусов — в противном случае эффективность поддержания дуги будет снижена. Работу  с  осциллятором  можно  несколько  обезопасить ,  если  применить  схему  с  автоматическим  отключением  импульса  при  отсутствии  дуги.  Для  контроля  наличия  дуги  применяют   трансформатор тока , через  который  подаётся  сварочный  ток.  Осциллятор  включается  автоматически  при  появлении  тока  сварки   и  отключается  при  его  исчезновении  через  2 …3 сек.  Переменным  резистором  можно  регулировать  фазу  появления  мощного  импульса  ,  что  позволяет  оптимизировать   горение  сварочной  дуги .  Схему  такого устройства  можно  посмотреть на следующей странице: 1. Сварочный осциллятор с регулировкой фазы импульса

Уважаемые посетители! Все материалы сайта в случае их некоммерческого использования предоставляются бесплатно, хотя автор затрачивает достаточно большие средства на их обновление расширение и размещение. Если Вы хотите, чтобы автор отвечал на Ваши письма, обновлял и добавлял  новые материалы — активней используйте контекстную рекламу,  размещённую на страницах — для себя  Вы  узнаете много нового и полезного, а автору  позволит частично компенсировать собственные затраты  чтобы  уделять Вам больше внимания. ВНИМАНИЕ! Вам нужно разработать сложное электронное устройство? Тогда Вам сюда…

Осциллятор для сварки

Практически у каждого мастерового хозяина имеется сварочный аппарат. Однако его возможности весьма ограничены. Сварка простых стальных деталей не требует каких-то определенных условий, в отличие, например, от алюминия или нержавейки. Для того, чтобы превратить свой простой сварочный аппарат в универсальный, многие приобретают или изготавливают осцилляторы.
Осциллятор для сварки — это устройство, которое включается параллельно самому сварочному аппарату. Главная задача осциллятора — преобразование частоты промышленного тока, которое составляет, как правило, 55 Герц в ток высокой частоты. При этом частота повышается значительно и может составлять 150 — 500 тысяч герц. Помимо этого осциллятор для сварки кратковременно повышает напряжение — до 2000 — 6000 В, что, в свою очередь, значительно повышает легкость поджига электрода.
В основном, осцилляторы применяются для сварки алюминия или же при использовании электродов, обладающих низкими ионизирующими свойствами покрытия.
Осциллятор для сварки, впрочем, как и осциллятор для сварки алюминия может быть изготовлен своими руками и подключен к любому аппарату своими силами. Конструкция осциллятора представляет собой генератор, колебания частоты тока в котором затухают. Состоит он из трансформатора, повышающего напряжение, причем для повседневного использования достаточно будет напряжения порядка 2000 — 3000 Вольт. Обязательным условием является наличие разрядника. Помимо этого, в конструкцию входит колебательный контур, обмотка связи и блокировочный конденсатор.
Работа осциллятора заключается в накоплении энергии, которая при достижении определенной величины вызывает пробой разрядника, при этом возникает электрическая дуга, в результате чего закорачивается колебательный контур и в нем возникают затухающие колебания. Именно эти колебания и прикладываются к возникшей дуге, причем длительность возникших импульсов составляет всего несколько миллисекунд.

В зависимости от изготовления, осциллятор для сварки может быть непрерывного действия, либо импульсного.
Первые работают параллельно с источником питания дуги. То есть подключаются непосредственно к «массе» и держаку. Возникающая во время работы дуга с высоким напряжением и частотой позволяет поджечь электрод, даже не касаясь изделия. Именно возникающая высокая частота позволяет производить работы даже при пониженном напряжении, что немаловажно при использовании ненадежной сети электрического тока.
Вторые, считаются более эффективными, поскольку не используют в своей конструкции дополнительной защиты от высокого напряжения. Именно второй тип осцилляторов используется для установки на сварки с переменным напряжением, поскольку позволяют поджечь электрод при смене полярности тока в сети.

Схема осциллятора для сварки

Еще одна схема сварочного осциллятора

Изготовление своими руками осциллятора для сварки алюминия также не вызывает трудностей. Единственным и обязательным условием является точное изготовление разрядника, так как именно от него зависит качество поджига. Зачастую используются остатки вольфрамовых электродов. Все остальные детали должны быть новыми! И, конечно, не стоит забывать о технике безопасности.

Кроме статьи «Осциллятор для сварки» смотрите также:

Осцилляторы DCO. Аналоговая схема осциллятора, управляемая и контролируемая цифровым микрочипом

В последние несколько лет ажиотаж вокруг аналоговых синтезаторов значительно возрос. Мир старых синтезаторов все чаще открывается для тех, кто ранее был сосредоточен на творчестве внутри компьютера.

И чем больше людей приобщается к винтажу, тем больше вопросов и недоразумений возникает вокруг некоторых терминов, определений и технических решений, существовавших во времена расцвета синтезаторостроения: в 80-е годы прошлого века производители регулярно радовали музыкантов революционными разработками, новыми типами синтеза, уникальными инструментами.

Одним из таких прорывов стало изобретение цифрового управления осцилляторами, благодаря которому синтезаторы получили стабильный строй без так называемого «дрифта». До этого осцилляторы управлялись с помощью напряжения, и многие инструменты часто расстраивались, плохо держали строй, нуждались в прогреве и так далее. Это было настоящей головной болью пионеров электронной музыки.

В 1982 году увидел свет полифонический синтезатор Roland Juno-6, первый из почитаемой троицы роландовских «Джун». В его основе лежал тот самый новый тип осцилляторов, который получил название DCO – Digitally Controlled Oscillator («осциллятор с цифровым управлением»). Впоследствии Roland и другие компании выпустили еще некоторое количество инструментов с аналогичной архитектурой генераторов, однако очень скоро цифровая эпоха основательно завладела индустрией, а на смену DCO пришли полностью цифровые осцилляторы.

В задачи этой статьи не входит выяснение взаимных преимуществ и недостатков цифры и аналога. Ее цель – заострить внимание на одном аспекте, которому музыканты (особенно не слишком углубляющиеся в техническую сторону вопроса) часто не придают значения, из-за чего нередко возникает путаница с пониманием природы DCO, которые ошибочно относят к цифровым генераторам сигнала. Разберемся, что же такое DCO и какое отношение эти осцилляторы имеют к миру цифры.

DCO – это не цифровые осцилляторы

Конечно, первым смущающим всех фактором является наличие в названии DCO слова digital (цифровой) при полном отсутствии упоминания о том, что непосредственная генерация в таких осцилляторах все же производится аналоговым способом, а по цифре лишь контролируется частота сигнала. Многие современные музыканты просто забывают, что на момент появления «цифрового контроля» в синтезаторах

иных способов генерации сигнала, кроме как аналоговый, просто не существовало. То есть аналоговость звука и не ставилась под сомнение, поэтому не было необходимости как-то это отдельно фиксировать. Кто же мог предположить, что уже через какие то считанные годы, а то и месяцы, все настолько существенно поменяется?

Неразбериха усиливается тем, что аббревиатура DCO стала появляться на панелях и в интерфейсах многих инструментов, которые в реальности работали не на DCO. Яркий пример – полностью цифровой Kawai K5000s, осцилляторы которого в меню и в мануале были обозначены как DCO. Но если цифровая природа генераторов этого инструмента ни у кого не вызывает вопросов, то с некоторыми другими синтезаторами все сложнее.

Главной особенностью DCO является наличие аналогового вейвшейпера, частота которого контролируется с помощью цифрового клока. Вейвшейпер (от англ. Waveshaper – «формирующий волну») – это генератор формы волны, то есть, по сути, именно он и является осциллятором.

DCO состоит из «счетчика» и вейвшейпера. При нажатии на клавишу контролируемый микропроцессором счетчик получает сигнал от мастер-клока и производит на выходе пульсирующий сигнал с нужной для данной ноты частотой. Точная частота задается так называемыми делителями (divider), которые, в частности, обеспечивают возможность использования сразу нескольких голосов, подчиненных общему мастер-клоку. Вейвшейпер получает пульсирующий сигнал и с аналогичной частотой генерирует волну в форме пилы, меандра и так далее (в зависимости от особенностей конкретного генератора).

Частота пульсации, которую должен выдать счетчик, зависит не только от нажатой клавиши, но и от других элементов управления синтезатора – ручек подстройки осцилляторов, питч-бендера, LFO и портаменто. После того как счетчик отдал пульс, дальнейшее формирование звука происходит полностью аналоговым способом.

Цифровое управление генератором дало важное преимущество – стабильный строй, однако у него нашлось также и немало критиков. В частности, одним из важных недостатков DCO многие считают невозможность уйти от «стандартных» форм волны, которые были характерны осцилляторам с контролем напряжением (VCO). Кроме того, из-за потери осцилляторами элемента непредсказуемости они стали звучать более стерильно, что для части синтезаторщиков стало синонимом «безжизненности». Впрочем, это уже вопрос вкуса, в мире существует огромная армия поклонников инструментов на DCO.

Настоящие DCO в своей архитектуре имеют такие синтезаторы, как Roland Juno-6, Juno-60, Juno-106, JX-3P, MKS-30, JX-8P, JX-10, MKS-70, Korg Poly-61, Elka Synthex, Akai AX80, Kawai SX-210 и SX-240, Oberheim Matrix-6 и Matrix-1000.

Ошибочно в разряд синтезаторов на DCO часто записывают Roland Alpha Juno (1 и 2), Roland MKS-50, Korg Poly-800: эти инструменты не имеют аналогового вейвшейпера, их осцилляторы генерируют звук цифровым способом, что является признаком гибридных синтезаторов (сочетающих в себе цифровую генерацию и аналоговые фильтры). К сожалению, неверную категоризацию зачастую можно увидеть на очень популярных информационных синтезаторных ресурсах.

Что характерно, перечисленные гибриды на вторичном рынке инструментов всегда стоят значительно дешевле моделей на настоящих DCO, из чего также можно сделать определенные выводы.

Почему путают DCO и цифровые осцилляторы

Дело в том, что в 80-е годы еще не существовало понятийной базы для обозначения разных типов осцилляторов. Индустрия развивалась стремительно, инструменты нужно было удешевлять и выпускать как можно быстрее. С одной стороны, у разработчиков и дизайнеров просто не было времени для раздумий над формальностями вроде обозначений. С другой – мог иметь место банальный маркетинг: «стерильный» шлейф цифры мог создать проблемы с продажами.

Последний фактор выглядит правдоподобно, если учесть, что на цифровом рынке на тот момент уже безраздельно властвовала Yamaha DX7, которая хоть и стоила более чем вдвое дороже, чем Alpha Juno или Korg Poly-800, но и возможностей, тембрального разнообразия и полифонии обеспечивала гораздо больше.

Поэтому производители по старинке продолжили писать на панелях и в инструкциях инструментов аббревиатуру DCO, которая уже не соответствовала реальной начинке и изначальному определению этого термина.

К счастью, на сегодняшний день многие инженеры, хорошо понимающие принципы генерации и разбирающиеся в основах синтезаторостроения, расставили все по своим местам. А в базах знаний ряда авторитетных электронных справочников по синтезаторам эти выводы были закреплены.

В частности, известный ресурс VSE дает в своем глоссарии такое определение DCO: An analog oscillating circuit controlled and monitored by a digital microchip (Аналоговая схема осциллятора, управляемая и контролируемая цифровым микрочипом).

На сайте американского сервиса по ремонту синтезаторов Belly Tone Synth Works также есть вполне однозначное определение DCO: DCOs are true analog oscillators that are just synced to a digital clock source (DCO – это настоящие аналоговые осцилляторы, синхронизированные с цифровым источником клока).

Сайт ElectricDruid дает исчерпывающее разъяснение по архитектуре и принципам работы DCO, акцентируя внимание на следующем: Although digitally controlled and digitally stable, the oscillator produces a true analogue output (Несмотря на цифровое управление и цифровую стабильность, осциллятор выдает настоящий аналоговый сигнал).

Кроме того, в 2014 году в журнале «Tehnički vjesnik», публикующем статьи технического содержания на английском языке от авторов со всего мира, появился материал, дающий исчерпывающее описание «осцилляторов с цифровым контролем» (DCO). В частности, в этой статье говорится: The only change in DCO is that the comparator in the ramp core of VCO is replaced with reset pulses generated from a counter or microprocessor. […] VCO and DCO share the same limited range of waveforms and the same ramp core. The analogue wave shaping for DCO was the same as VCO… (Единственное отличие DCO от VCO заключается в замене компаратора на счетчик или микропроцессор, выдающий цифровые импульсы. […] VCO и DCO имеют идентичный ограниченный набор волновых форм и одинаковый принцип генерации. Аналоговый вейвшейпинг в DCO остался таким же, как в VCO).

Ну и, наконец, даже Википедия (английская версия) пишет: DCOs were designed to overcome the tuning stability limitations of early VCO designs. Using a DCO does not make a synthesizer «digital» or «hybrid». […] The term «digitally controlled oscillator» has been used to describe the combination of a voltage-controlled oscillator driven by a control signal from a digital-to-analog converter… (DCO были разработаны для преодоления ограничений по стабильности строя ранних осцилляторов VCO. […] DCO не делает синтезатор «цифровым» или «гибридным». Формулировка «осциллятор с цифровым управлением» используется для описания осциллятора с контролем напряжением, управляемого от цифро-аналогового преобразователя).

В опубликованной почтовой переписке Рассела МакКлиллана (разработчика музыкального оборудования и ПО, ведущего инженера-программиста в Isotope Inc.) приводятся его слова относительно генераторов в Alpha Juno, которые хоть и стали формальным продолжением линейки Juno от Roland, по сути же имели полностью цифровую природу осцилляторов, несмотря на наличие на лицевой панели обозначений «DCO». Вот что он пишет про генераторы «Альфы»: There is a custom «DCO» chip which has 6 independent digital oscillators (Там специально изготовленные «DCO», состоящие из шести независимых цифровых осцилляторов). Характерно, что в данном случае он берет аббревиатуру DCO в кавычки, давая понять, что ее присутствие на панели синтезатора лишь формально (так же, как и в упомянутом ранее Kawai K5000s).

В подтверждение версии, что использование обозначений «DCO» на панелях инструментов и в инструкциях было продиктовано соображениями маркетинга, можно привести пример из совсем недавнего прошлого. Та же компания Roland, эксплуатируя разработки предыдущих поколений инженеров, в последнее время часто выпускает инструменты, названия которых отсылают нас к легендарным синтезаторам и драм-машинам 80-х годов.

Чаще всего новые цифровые инструменты не имеют совершенно ничего общего со своими «прадедушками», однако на их панелях можно увидеть надписи VCO, DCO, VCF, VCA – обозначение элементов, которые являются атрибутами настоящих аналоговых синтезаторов.

Пример – недавно выпущенный звуковой модуль Roland JP-08. Это полностью цифровой инструмент, но даже на официальном сайте его тип синтеза хитро обозначен как Analog Circuit Behaviour («поведение аналоговой схемы»), что, безусловно, легко может ввести в заблуждение неопытного музыканта. Каким образом полностью цифровой инструмент может иметь в своей схеме VCO – непонятно, однако на панели заявлен именно этот тип осцилляторов. Это, впрочем, касается и остальных инструментов серии Boutique.

В общем, не стоит особо доверять тому, что пишут производители. Надо всегда помнить, что их главная задача – произвести подешевле и продать побольше. В эту парадигму вполне укладываются такие дизайнерские ухищрения. Соответственно, нет оснований сомневаться, что аналогичным образом они могли поступить и в момент выпуска на рынок инструментов Roland Alpha Juno.

Как обозначать полностью цифровые генераторы

Итак, синтезаторы, в основе которых лежат генераторы с цифровым управлением (DCO) остаются аналоговыми. Цифровая стабилизация осцилляторов не делает сами осцилляторы цифровыми, не переводит инструменты в разряд гибридных, не роднит их с более поздними синтезаторами на основе цифровой генерации, волновых форм, семплов или математического моделирования.

Остается вопрос, как же тогда обозначать осцилляторы в инструментах, где тот же самый цифровой контроль управляет частотой не аналогового осциллятора, а цифрового? Инженеры дают ответ на этот вопрос.

Digital Direct Synthesis (DDS, «прямой цифровой синтез») – это вполне подходящее обозначение для подобного типа осцилляторов и синтезаторов, построенных на их основе. Впрочем, во многих случаях такие генераторы называют просто Digital Oscillator, то есть «цифровой осциллятор».

Конечно, это является большим обобщением, ведь цифровые осцилляторы могут по своей природе быть совершенно разными. Но это уже тема отдельного материала. Могу лишь дополнить сказанное выше ссылкой на еще одну статью и цитатой из нее, описывающей три интересующих нас разновидности осцилляторов:

• VCO – осцилляторы, управляемые напряжением
• DCO – осцилляторы с цифровым управлением, генерирующие волну аналоговым способом
• DDS – осцилляторы, управляемые по цифре и генерирующие волну цифровым способом

Еще раз хочу акцентировать внимание, что DDS – это не DCO, в котором аналоговый вейвшейпер заменен на цифровой. Это отдельный, самостоятельный тип осцилляторов.

Надо сделать оговорку, что в этой статье Korg Poly-800 отнесен к категории инструментов на DCO, но это один из самых спорных инструментов той эпохи. В основе его генерации лежит цифровой чип от аркадных видеоигр MSM5232, который в себе содержит сразу 6 цифровых осцилляторов, сигнал из которых суммируется и направляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) в общий аналоговый фильтр. Пилообразная волна формируется аддитивным способом из нескольких волн в форме меандра. Исходя из этого описания, инструмент в категоризации самого автора должен попасть в третью группу. Но даже под самой статьей в комментариях возник по этому поводу.

Всегда есть шанс что-то недосмотреть или недопонять, и я вполне допускаю, что аналога в генераторах Poly-800 больше, чем кажется. Так или иначе, желающие чуть подробнее вникнуть в эту проблему могут обратиться к описанию принципа работы «специфических DCO» в Korg Poly-800. Сама по себе суть DCO не изменится в зависимости от решения этой проблемы: если Poly-800 имеет аналоговую составляющую в волновой генерации, то это DCO, если нет – DDS.

Автор: Алексей Данилов

Материал сайта: danalex.ru

Компании:

Каталог: аналоговые синтезаторы

принцип работы, схема и уравнение

В данной статье мы подробно разберем осциллятор и принцип его работы, а так же разберем схемы, резонанс осциллятора, затухающие колебания и резонансную частоту.

Описание и принцип работы

Осцилляторы преобразуют вход постоянного тока (напряжение питания) в выход переменного тока (форму волны), который может иметь широкий диапазон различных форм и частот, которые могут быть либо сложными по своей природе, либо простыми синусоидальными волнами в зависимости от применения.

Осцилляторы также используются во многих испытательных приборах, генерирующих синусоидальные, квадратные, пилообразные или треугольной формы волны или просто последовательность импульсов переменной или постоянной ширины. Осцилляторы LC обычно используются в радиочастотных цепях из-за их хороших характеристик фазового шума и простоты их реализации.

Осциллятор является в основном усилителем с «положительной обратной связью», или регенеративной обратной связью (в фазе) и одной из многих проблем в конструкции электронных схем является прекращение генерации усилителей при попытке заставить осциллятор колебаться.

Осцилляторы работают, потому что они преодолевают потери своей резонансной цепи обратной связи либо в виде конденсатора, индуктора или обоих в одной и той же цепи, подавая энергию постоянного тока с требуемой частотой в эту резонаторную цепь. Другими словами, осциллятор представляет собой усилитель, который использует положительную обратную связь, которая генерирует выходную частоту без использования входного сигнала.

Таким образом, осцилляторы являются самоподдерживающимися цепями, генерирующими периодическую форму выходного сигнала с точной частотой, и для того, чтобы любая электронная схема работала в качестве осциллятора, она должна иметь следующие три характеристики.

• Некоторая форма усиления
• Положительная обратная связь (регенерация)
• Частота определения обратной связи сети

Осциллятор имеет небольшой усилитель с обратной связью по сигналу с коэффициентом усиления разомкнутого контура, равным или немного превышающим единицу для запуска колебаний, но для продолжения колебаний средний коэффициент усиления контура должен возвращаться к единице. В дополнение к этим реактивным компонентам требуется усилительное устройство, такое как операционный усилитель или биполярный транзистор.

В отличие от усилителя, для работы осциллятора не требуется внешний вход переменного тока, так как энергия источника постоянного тока преобразуется осциллятором в энергию переменного тока на необходимой частоте.

Базовая цепь обратной связи осциллятора

Где: 
β — доля обратной связи.

Осциллятор усиления без обратной связи

Осциллятор с обратной связью

Осцилляторы — это схемы, которые генерируют непрерывный выходной сигнал напряжения на требуемой частоте со значениями индукторов, конденсаторов или резисторов, образующих частотно-избирательный LC-резонансный контур емкости и сеть обратной связи. Эта сеть обратной связи является сетью ослабления, которая имеет коэффициент усиления меньше единицы ( β <1 ) и запускает колебания, когда Aβ> 1, который возвращается к единице ( Aβ = 1 ) после начала колебаний.

Частота генераторов LC контролируется с использованием настроенной или резонансной индуктивно-емкостной (LC) цепи, а результирующая выходная частота называется частотой колебаний. Делая обратную связь осцилляторов реактивной сетью, фазовый угол обратной связи будет изменяться как функция частоты, и это называется фазовым сдвигом.

Есть в основные типы осцилляторов:

• 1. Синусоидальные осцилляторы   — они известны как гармонические осцилляторы и обычно представляют собой осциллятор типа «LC Tuned-feedback» или «RC-Tuned-Feedback», который генерирует чисто синусоидальный сигнал с постоянной амплитудой и частотой.
• 2. Несинусоидальные осцилляторы   — они известны как осцилляторы релаксации и генерируют сложные несинусоидальные сигналы, которые очень быстро меняются от одного состояния устойчивости к другому, например, «прямоугольная волна», «треугольная волна» или «пилообразная волна» формы сигналов.

Резонанс осциллятора

Когда к цепи, состоящей из индуктора, конденсатора и резистора, приложено постоянное напряжение, но переменной частоты, реактивное сопротивление цепей конденсатора / резистора и индуктора / резистора должно изменять как амплитуду, так и фазу выходного сигнала по сравнению с входным сигналом из-за реактивного сопротивления используемых компонентов.

На высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора очень низкое, действуя как короткое замыкание, в то время как реактивное сопротивление индуктора высокое, действующее как разомкнутая цепь. На низких частотах верно обратное, реактивное сопротивление конденсатора действует как разомкнутая цепь, а реактивное сопротивление индуктора действует как короткое замыкание.

Между этими двумя крайностями комбинация индуктивности и конденсатора создает «настроенную» или «резонансную» цепь, которая имеет резонансную частоту ( ƒr ), в которой емкостное и индуктивное реактивные сопротивления равны и взаимно компенсируются, оставляя только сопротивление схема противодействия потоку тока. Это означает, что фазовый сдвиг отсутствует, поскольку ток находится в фазе с напряжением. Рассмотрим схему ниже.

Базовая схема осциллятора LC

Цепь состоит из индукционной катушки L и конденсатора C. Конденсатор накапливает энергию в форме электростатического поля и создает потенциал ( статическое напряжение ) на своих пластинах, в то время как индуктивная катушка накапливает энергию в форме электромагнитного поля. Конденсатор заряжается до напряжения питания постоянного тока V, поставив переключатель в положение A. Когда конденсатор полностью заряжен изменения переключателя в положение B.

Заряженный конденсатор теперь подключен параллельно через индуктивную катушку, поэтому конденсатор начинает саморазряжаться через катушку. Напряжение на C начинает падать, когда ток через катушку начинает расти.

Этот возрастающий ток создает электромагнитное поле вокруг катушки, которое сопротивляется этому потоку тока. Когда на конденсаторе C полностью разряжается энергия, которая была первоначально сохранена в конденсаторе C в качестве электростатического поля теперь сохраняется в индуктивной катушке L в виде электромагнитного поля вокруг обмоток катушек.

Поскольку в цепи теперь нет внешнего напряжения для поддержания тока внутри катушки, оно начинает падать, когда электромагнитное поле начинает разрушаться. В катушке индуцируется обратная ЭДС ( e = -Ldi / dt ), сохраняя ток в первоначальном направлении.

Этот ток заряжает конденсатор C с полярностью, противоположной его первоначальному заряду. C продолжает заряжаться до тех пор, пока ток не уменьшится до нуля и электромагнитное поле катушки полностью не исчезнет.

Энергия, первоначально введенная в цепь через переключатель, была возвращена конденсатору, который снова имеет потенциал электростатического напряжения на нем, хотя теперь он имеет противоположную полярность. Теперь конденсатор снова начинает разряжаться через катушку, и весь процесс повторяется. Полярность напряжения изменяется по мере того, как энергия передается туда-сюда между конденсатором и индуктором, создавая синусоидальное напряжение переменного тока и форму волны тока.

Этот процесс затем формирует основу цепи резервуара осцилляторов LC, и теоретически эта циклическая перемотка будет продолжаться бесконечно. Тем не менее, все не идеально, и каждый раз, когда энергия передается от конденсатора C к катушке индуктивности L и обратно от L к C, происходят потери энергии, которые со временем затухают колебания до нуля.

Это колебательное действие по передаче энергии назад и вперед между конденсатором C и катушкой индуктивности L будет продолжаться бесконечно, если бы не потери энергии в цепи. Электрическая энергия теряется в постоянном или реальном сопротивлении катушки индуктивности, в диэлектрике конденсатора и в излучении цепи, поэтому колебания неуклонно уменьшаются, пока они полностью не затухнут и процесс не остановится.

Затем в практической LC— схеме амплитуда колебательного напряжения уменьшается на каждом полупериоде колебаний и в конечном итоге затухает до нуля. Затем говорят, что колебания «демпфируются», причем величина демпфирования определяется качеством или добротностью цепи.

Затухающие колебания

Частота колебательного напряжения зависит от значения индуктивности и емкости в цепи LC — бака. Теперь мы знаем, что для возникновения резонанса в контуре резервуара должна быть точка частоты, где значение X _C емкостное сопротивление совпадает со значением X _L индуктивного сопротивления ( X _L  = X _C ) и что, следовательно, компенсирует друг друга, оставляя только постоянное сопротивление в цепи, чтобы противостоять потоку тока.

Если теперь мы поместим кривую для индуктивного реактивного сопротивления индуктора поверх кривой для емкостного реактивного сопротивления конденсатора так, чтобы обе кривые были на одной оси частот, точка пересечения даст нам точку резонансной частоты, (  ƒ _r или ωr  ), как показано ниже.

Резонансная частота

Где: 
ƒ _r в Герцах,
L в Генри и 
C в Фарадах

Тогда частота, с которой это произойдет, определяется как:

Затем за счет упрощения приведенного выше уравнения, мы получаем окончательное уравнение для резонансной частоты ƒ _г в настроенном LC цепи, как:

Где: L индуктивность в Генри
C — емкость в Фарадах
ƒ _r — выходная частота в Герцах

Это уравнение показывает, что если L или C уменьшаются, частота увеличивается. Эта выходная частота обычно дается сокращенная (  ƒ _г  ) , чтобы определить его как «резонансную частоту».

Чтобы сохранить колебания в цепи резервуара LC, мы должны заменить всю энергию, потерянную в каждом колебании, а также поддерживать амплитуду этих колебаний на постоянном уровне. Следовательно, количество заменяемой энергии должно быть равно энергии, потерянной в течение каждого цикла.

Если замещаемая энергия слишком велика, амплитуда будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет ограничение питающих шин. В качестве альтернативы, если количество заменяемой энергии слишком мало, амплитуда в конечном итоге со временем уменьшится до нуля, и колебания прекратятся.

Самый простой способ восполнить эту потерянную энергию — это взять часть выходного сигнала из цепи резервуара LC , усилить его и затем снова подать обратно в цепь LC . Этот процесс может быть достигнут с использованием усилителя напряжения с использованием операционного усилителя, полевого транзистора или биполярного транзистора в качестве активного устройства. Однако, если усиление контура усилителя обратной связи слишком мало, требуемое колебание уменьшается до нуля, а если оно слишком велико, форма сигнала искажается.

Чтобы производить постоянные колебания, уровень энергии, возвращаемой обратно в сеть LC, должен точно контролироваться. Тогда должна быть некоторая форма автоматической амплитуды или получить контроль, когда амплитуда пытается отличаться от опорного напряжения либо вверх, либо вниз.

Для поддержания стабильных колебаний общий коэффициент усиления цепи должен быть равен единице. Меньше, и колебания не начнутся или не угаснут до нуля, колебания больше не будут происходить, но амплитуда будет ограничена питающими рельсами, вызывая искажения. Рассмотрим схему ниже.

Базовая транзисторная схема осциллятора LC

В качестве усилителя LC-генератора используется биполярный транзистор, а настроенная схема LC- бака действует как нагрузка коллектора. Еще одна катушка L2 соединена между базой и эмиттером транзистора, чье электромагнитное поле «взаимно» в сочетании с этим катушки L.

«Взаимная индуктивность» существует между двумя цепями, и изменяющийся ток, протекающий в одной цепи катушки, посредством электромагнитной индукции индуцирует потенциальное напряжение в другой (эффект трансформатора), так что при возникновении колебаний в настроенной цепи электромагнитная энергия передается от катушки L на катушку L2, и напряжение базы той же частоты, что и в настроенной цепи, подается между базой и эмиттером транзистора. Таким образом, необходимое усилие автоматической обратной связи подается на усилительный транзистор.

Величина обратной связи может быть увеличена или уменьшена путем изменения связи между двумя катушками L и L2 . Когда цепь осциллирующая его импеданс резистивные и коллектор и база напряжение 180^o по фазе. Чтобы поддерживать колебания (называемые стабильностью частоты), напряжение, подаваемое на настроенную цепь, должно быть «синфазным» с колебаниями, возникающими в настроенной цепи.

Таким образом, мы должны ввести дополнительный 180 ^о фазовом сдвиге в цепь обратной связи между коллектором и базой. Это достигается путем намотки катушки L2 в правильном направлении относительно катушки L, что дает нам правильные соотношения амплитуды и фазы для цепи осцилляторов, или путем подключения сети фазового сдвига между выходом и входом усилителя.

Таким образом, LC-осциллятор представляет собой «Синусоидальный генератор» или «Гармонический генератор», как его чаще называют. Осцилляторы LC могут генерировать высокочастотные синусоидальные волны для использования в радиочастотных (РЧ) типов с транзисторным усилителем, состоящим из биполярного транзистора или полевого транзистора.

Гармонические осцилляторы бывают разных форм, потому что есть много различных способов построить сеть LC фильтра и усилитель с наиболее распространенными из которых являются в осциллятор Хартли LC , Колпитс LC осциллятор, Armstrong осциллятор и Clapp осциллятор.

Резюме осцилляторов LC

Основные условия, необходимые для резонансного контура резервуара осциллятора LC, приведены ниже.

• Чтобы колебания существовали, схема генератора ДОЛЖНА содержать реактивный (зависящий от частоты) компонент либо «Индуктор», ( L ) или «Конденсатор», ( С ), а также источник питания постоянного тока.
• В простой индуктивно-конденсаторной цепи LC колебания со временем затухают из-за потерь компонентов и цепей.
• Усиление напряжения требуется для преодоления этих потерь в цепи и обеспечения положительного усиления.
• Общее усиление усилителя должно быть больше единицы.
• Колебания могут поддерживаться путем подачи некоторого выходного напряжения в настроенную цепь, которая имеет правильную амплитуду и синфазный сигнал (0 ^o ).
• Колебания могут возникать только тогда, когда обратная связь является «положительной» (самовосстановление).
• Общий фазовый сдвиг цепи должен быть нулевым или 360 ^o, чтобы выходной сигнал из сети обратной связи был «синфазным» с входным сигналом.

В следующем уроке об осцилляторах мы рассмотрим работу одной из наиболее распространенных контуров LC-осциллятора, в которой используются две катушки индуктивности для формирования индуктивности с центральным постукиванием в его резонансной цепи бака. Этот тип схемы LC генератора известен как генератор Hartley.

виды и характеристики, принцип работы, схема сборки своими руками

Без сварочных работ трудно представить современный мир. Даже в быту время от времени приходится выполнять некоторые сварочные работы. Для облегчения сварочного процесса нержавейки или цветных металлов необходим осциллятор.

Этот аппарат может зажигать электрическую дугу без контакта с поверхностью детали и поддерживать горение, необходимое для сварки. Для бытовых нужд необязательно приобретать промышленное изделие, поскольку вполне можно собрать осциллятор своими руками в условиях дома или небольшой мастерской.

Принцип работы осциллятора

При сварках где участвуют цветные металлы обычно применяют аргонодуговые аппараты, в которых вольфрамовые электроды подплавливают края и создают своеобразную ванну. Алюминиевый материал и нержавеющую сталь сшивают, когда источником напряжения и тока является инвертор.

В любых случаях наблюдается одна и та же проблема — первоначальное разжигание дуги. При работе с цветными металлами постукивают электродом по поверхности, в результате чего образуются трещины и следы, которые требуют дальнейшей обработки. Осциллятор — это то, что нужно для аргонной сварки.

Если лист металла тонкий, то при работе на небольших токах дуга постоянно тухнет. Неоднократное и постоянное её возбуждение забирает рабочее время. Для предотвращения подобных ситуаций тоже необходим осциллятор.

Сборка этих приборов может быть разная, но все они необходимы для возбуждения сварочной дуги между электродом и изделием на расстоянии около пяти миллиметров. Осциллятор размещают между источником тока и горелкой с электродом из вольфрама.

Принцип работы заключается в изменении входящего напряжения в высокочастотные короткие импульсы. Эти импульсы суммируются со сварочным током и принимают активное участие в розжиге. Можно собрать такой осциллятор для инвертора своими руками.

Эти устройства могут питаться от переменного или постоянного тока и повышают как значение напряжения, так и частоту электротока. Если на вход прибора подать напряжение 220В с частотой тока в 50 Герц, то на выходе получится напряжение от 2500 до 3000В при частоте от 150 000 до 300 000 Герц. Полученные импульсы имеют продолжительность десятков микросекунд.

Номинальная мощность таких устройств примерно 250–350 Ватт.

Функциональная схема

Технические характеристики каждого прибора зависят от его конструкции и свойств элементов на схеме. Принципиально агрегат состоит из таких элементов:

• Колебательный контур. Он собран из индуктивной катушки и конденсатора. Катушка представляет собой вторичную обмотку трансформатора высокой частоты. Сам контур генерирует необходимые искры.
• Разрядник.
• Катушки дроссельные. Их количество — две единицы.
• Высокочастотный повышающий трансформатор. Он преобразует входные параметры напряжения в высокочастотные колебания.

 

Прибор также содержит вспомогательные электрические детали, которые отвечают за безопасность использования агрегата. Это защитный конденсатор, предохраняющий работника от поражения электрическим током и предохранитель.

Предохранитель должен срабатывать при коротком замыкании и пробое конденсатора.

Входное напряжение, проходя через обмотки повышающего трансформатора, проходит через колебательный контур и начинает зарядку конденсатора. Затем, после зарядки последнего до необходимой ёмкости, происходит разряд и возникает пробой. Пробой вызывает короткое замыкание колебательного контура, вследствие которого возбуждаются резонансные колебания. Ток высокой частоты, создающий эти колебания, через защитный конденсатор и обмотки катушки доходит до сварочной дуги.

Защитный конденсатор свободно пропускает высокочастотный ток, который отличается также большой величиной напряжения. Но этот блокировочный конденсатор не способен пропускать ток низкой частоты, так как обладает большим сопротивлением. Это свойство мешает пройти низкочастотному току от сварочного прибора и является надежной защитой от короткого замыкания.

Последовательность процесса сварки

Невзирая на некоторые отличия в сборке, использование устройств этого класса проходит по одному сценарию. Можно так представить последовательность работы прибора:

• Сварщик на горелке нажимает кнопку «Пуск».
• Выпрямитель на входе получает напряжение из сети, выпрямляет и отправляет на накопитель.
• Накопительный узел заряжается.
• После срабатывания накопительного конденсатора, освобождается импульс.
• Импульс поступает на высокочастотный трансформатор и преобразовывается в высоковольтный импульс.
• Одновременно срабатывает клапан газа и выходит аргон из аргонно содержащей камеры.
• После короткого разряда тока, дуга зажигается в газовом облаке и начинается процесс сварки.
• Когда начинает работать сварочный ток с силой, превышающей пять ампер, то импульс затухает. Происходит процесс сварки с установленными на аппарате значениями. При потере контакта возникает следующий импульс для возрождения дуги.
• Когда сварка заканчивается, прибор завершает процесс.

При изготовлении аргоновой горелки своими руками, конструкция может быть упрощена и прибор становится полуавтоматом. В этом случае при случайном завершении процесса сварки надо вручную включать бесконтактный поджиг, нажимая кнопку «Пуск».

Виды осцилляторов

Устройства этого типа в зависимости от вида работ, могут быть кратковременного или постоянного действия. Таким образом, осцилляторы делятся на:

• Устройства непрерывной работы.
• Аппараты с импульсным питанием.

При сварке тонких листовых материалов лучше подходит прибор постоянного действия, так как розжиг будет производиться сразу при поднесении к заготовке. В процессе сварки горение будет ровное и все время поддерживаться. В результате получится чистый и аккуратный шов.

Для безопасности рекомендуется последовательное соединение устройства. Если предусмотрено параллельное подключение, то надо установить защиту от напряжения. При выполнении работ с алюминием, которые выполняются исключительно на переменном токе, применяют импульсные аппараты.

Сборка в бытовых условиях

Для сборки прибора аргонной сварки своими руками из инвертора чаще всего используют распространенную и несложную схему.

 

В этой схеме главным элементом является повышающий трансформатор. Именно он увеличивает величину стандартного напряжения до трёх тысяч вольт. Самым проблемным узлом при сборке этого устройства является разрядник, который вырабатывает сильную искру. Разрядник и катушка индуктивности обеспечивают главное — они генерируют затухающие высокочастотные импульсы, которые зажигают дугу и поддерживают равномерное горение. Катушка и разрядник совместно с блокировочным конденсатором образуют узел колебательного контура.

Самодельные аппараты тоже могут быть выполнены по двум различным схемам. Они могут быть импульсного или непрерывного действия. Приборы, использующие принцип непрерывного действия менее эффективны и в их конструкцию надо обязательно включать блок защиты от напряжения. Импульсные устройства считаются лучше, удобнее и производительнее.

Основной деталью узла управления является кнопка. Она выполняет две функции: включение разрядника и контролирование подачи защитного газа в область сварки. Первичными данными при самостоятельной сборке являются детальные ответы на следующие вопросы:

• Применение для алюминия или нержавейки.
• Вид электрического тока — переменный или постоянный.
• Какое напряжение предусматривается.
• На какую мощность будет рассчитан прибор.
• Какая величина вторичного напряжения.

Сборка деталей производится на прямоугольной плате. Слева обычно располагается трансформатор высокой частоты, блок управления и предохранительный узел. В центральной части логично расположить разрядник с конденсатором колебательного контура и блокировочный конденсатор. Последний становится преградой для низкочастотного тока на пути к сварке. Место справа остается для дросселя.

Трансформатор выбирают исходя из потребностей по величине тока во вторичной обмотке. При этом катушку индуктивности лучше сделать сдвоенной. Тогда напряжение и величина тока оказываются более стабильными, а защита аппарата надежнее. Контуры подобны друг другу и состоят из:

• Конденсатора, запас которого по напряжению в первой части должен быть не менее 500В и 5–6 кВ для второй. Емкость первого конденсатора должна составлять не менее 0.3 мФ, а второго до 1 мФ.
• Варистора с напряжением во вторичной обмотке около 90–100 В (для первого каскада) и до 140–150 В во второй линии.
• Катушки индуктивности. Обе катушки имеют ферритовый стержень с намотанной на него медной проволокой сечением около 20 миллиметров квадратных с зазором не менее 0.8 миллиметров. В первом каскаде количество витков от семи, а во втором — меньше. Катушка второго каскада является фильтром и защитой от колебаний тока. Ток различной амплитуды может привести к нестабильному горению.

Для разрядника находят плату с ребрами теплоотвода. Эта плата охлаждает при срабатывании разряда. Электроды из вольфрама иногда заменяют на обычные. Главное, чтобы их диаметр составлял не менее двух миллиметров. Кончики электродов должны быть строго параллельны. При помощи специального винта делают возможной регулировку расстояния между электродами.

Чтобы получить максимальную стабильность, ко второй обмотке второго каскада подключают катушку от любого электрошокера. Для этого в схему устройства приходится подключать аккумулятор напряжением в шесть вольт. Он обеспечивает питание этой катушки.

Наличие аккумулятора не дает забыть, что время от времени всё устройство нужно осматривать и проводить регламентные работы. Первый каскад подключается к инвертору, а второй предназначен для сварочной горелки и заготовки, которую надо сварить. Корпус прибора должен иметь вентиляционные отверстия и быть влагозащищенным.

Правила эксплуатации

Применение осцилляторов несложно, но требует выполнения ряда правил. Тогда работа с прибором становится безопасной, удобной и продуктивной. Правила использования следующие:

• Применение этих устройств разрешено как в помещениях, так и на воздухе.
• В случае обильного снегопада или дождя лучше воздержаться от включения прибора при работе на улице.
• Температурный режим окружающей среды должен быть от -10 до +40 градусов по Цельсию.
• Влажность воздуха не должна быть больше 98%.
• Крайне не рекомендуются работать со сварочным аппаратом в помещениях где сильно накопилась пыль или едкие газы способные повредить металл или изоляцию.
• Обязательно перед включением нужно убедиться в наличии заземления.
• Защитный кожух прибора можно снимать только в выключенном состоянии. Во время сварки кожух должен быть надет.
• На рабочей поверхности разрядника не должно быть следов нагара или грязи. В случае загрязнения нужно вычистить кончики разрядника тонкой наждачной шкуркой.

При сборке осциллятора для инвертора своими руками необходимо также соблюдать правила поведения с электрическими устройствами. Необходимо строго соблюдать основные правила сборки электрических схем и использовать только те детали, которые обладают нужными характеристиками.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Рис. 42. Принципиальная электрическая схема осциллятора параллельного включения

человека. Принципиальная схема осциллятора параллельного включе­ ния показана на рис. 42. Осциллятор имеет повышающий трансформа­ тор Я7\ присоединенный к вторичной обмотке сварочного трансформатора; колебательный контур, состоящий из конденсатора С к, индуктивной катушки L K и разрядника Р. Осциллятор имеет еще одну катушку связи L c, помещенную на одном каркасе с катушкой самоиндукции L K. От катушки L c через защитные конденсаторы Сб сделаны выводы к выходным клеммам осциллятора. С первичной стороны осциллятор подключают непосредственно к вторичной обмотке сварочного трансформатора или в сеть.

Для присоединения осциллятора к дуге необходимо использовать гибкий высокочастотный провод сечением не менее 1,5 мм 2. При эксплуа-

Рис. 42. Принципиальная электрическая схема осциллятора параллельного включения

тации осциллятора нужно особое внимание обращать на исправность защитного конденсатора, предотвращающего поражение сварщика током высокого напряжения низкой частот.

Осциллятор применяют при сварке дугой малой мощности, при аргоно-дуговой сварке, а также при падении напряжения в силовой сети, обусловливающем пониженное вторичное напряжение сварочных трансформаторов и, следовательно, неустойчивый процесс зажигания и горения дуги.

На рис. 43, аи б приведены схемы осцилляторов последовательного включения, которые применяют, например, в установках для дуговой сварки в защитных средах. Такие схемы обеспечивают более надежную защиту силового выпрямительного блока или генератора от пробоя высокочастотным напряжением осциллятора.

Связь с осциллятором в схеме на рис. 43, а осуществлена с помощью высокочастотного трансформатора, который для уменьшения потерь имеет ферритный сердечник.

Защита источника питания сварочной дуги от действия токов высокой частоты осуществлена при помощи конденсатора С. Токи высокой частоты замыкаются по контуру: вторичная обмотка высокочастотного трансформатора — конденсатор С — дуговой промежуток.

В схеме рис. 43, б катушка L K включена последовательно со сварочной дугой. Такая схема применена в установках типа «Удар-300» и «Удар-500», предназначенных для ручной дуговой сварки переменным током алюминия вольфрамовым электродом в среде аргона.

Для уменьшения помех радиоприему в цепь первичной обмотки трансформатора ПТ включены фильтры (конденсаторы С п, рис. 42 и 43).

Основные технические характеристики осцилляторов приведены в табл. 15.

 

 

 

КАК СДЕЛАТЬ СИНТЕЗАТОР И НЕ УМЕРЕТЬ

Когда мы говорим о самодельных инструментах, то в первую очередь подразумеваем акустические. С хорошей фантазией что угодно может превратиться в генератор звука. Если же речь заходит об электронных устройствах, то тут дела обстоят несколько иначе. Существует огромное количество видов синтеза звуков: FM-, FS-, LA-синтез и другие. Еще больше есть способов, как сгенерировать необходимую форму звуковой волны. Можно создать полностью аналоговое, цифровое или смешанного типа устройство. Можно обратиться к микроконтроллерам, типа Arduino, или к одноплатовым компьютерам, типа Raspberry. Деды выбирают «логику» — CMOS (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, просто название киберпанк-аниме). Различные чипы, 4046, 4013, 40106, зачастую можно встретить в качестве «ядра» в модульных синтезаторах типа Eurorack.

Как в этом всем не запутаться, а тем более создавать дома то, что производится на заводах специалистами? При этот может ли сам процесс быть увлекательным и простым? Мы отвечаем — да.

Для примера рассказываем, как построить осциллятор (VCO — voltage-controlled oscillator) из подручных средств. Главными критериями выбора были простота, дешевизна и безопасность. Потому что в работе с голыми электроприборами частенько существует риск получить заряд бодрости на целый день. А сжечь дорогостоящий компонент еще легче.

Поэтому не будем устраивать танцы с бубном вокруг «логики», а продемонстрируем простейшую схемку на транзисторах и резисторах, которая не навредит ни вам, ни вашему кошельку.

---

Что мы будем делать

Но обо всем по порядку. Что такое VCO? Это устройство для генерирования звуковой волны с помощью контроля напряжения (вольт). Грубо говоря, это когда электрический ток попадает на цепочку и преобразуется в волну, частота которой может меняться в зависимости от того, какие показания напряжения вы имеете.

Как вообще все устроено

По сути почти все синтезаторы работают по следующему принципу: волна определенной формы проходит через устройства, которые её изменяют (например, фильтры).

Существует следующие виды колебаний звуковой волны:

1. Синусоидальное (гармоническое) колебание. Если вы помните мамино «мугыканье» колыбельных или увлекаетесь эмбиентом, то звучание такого типа волны знаете хорошо. Оно мягкое, «гудящее», заполняющее пространство вокруг;

2. Квадратные колебания. Частенько используют для имитации бас-бочки или духовых инструментов. Очень плотный звук на низких частотах, а на высоких получается секс R2D2;

3. Пилообразные колебания. Подобную форму выдают смычковые инструменты.

5. Импульсные колебания. Похожи по своей форме на квадратные, но характеризуются более коротким положительным и более длинным отрицательным полупериодом..

Парень на видео довольно интересно выкручивает импульсную волну, так что синтезатор начинает звучать человеческими голосами. Но мы же знаем, что это души покойников пытаются с нами связаться.

Что нам нужно

Теперь перейдем к схеме простого осциллятора, который будет нам выдавать квадратоид. Что нам необходимо из инструментов и деталей? Паяльник, припой, флюс, 1КОм резистор (1 шт), 100 КОм резистор (1 шт) (ограничивает ток, преобразовывает напряжение в силу тока и наоборот), 10 КОм потенциометр (ручка-крутилка, можно увидеть на синтезаторах) (1 шт), транзистор (1 шт), LED (светодиод или “лапмочка” с двумя ножками) (1 шт), конденсатор (накапливает электрические заряд) (1шт), макетная плата 3х4 (штука, на которой все это добро размещается) (1шт), аудиоразъем 3.5 мм, разъем для «кроны».

Есть нюансы

Конденсатор следует выбирать вдумчиво. Все зависит от показателей емкости (фарадов). Если вы хотите получить высокий звук (альт), то вам следует брать конденсатор от 10 микрофарад и ниже. Средней частоты звук вы получите от 22 микрофарад до 100 микрофарад. От 100 микрофарад начинается «трактор». Звук хороший для получения «кика», создания LFO (низкочастотная огибающая) и так далее.

Если вас начнут в магазине задалбывать пугающими вопросами, то отвечайте: конденсатор на 50 вольт, электролит, 85 градусов.

Резисторов 1КОм лучше брать 2 штуки. Или сразу купить резисторы номиналом 2КОм. Это позволит избежать затухания осциллятора на максимальном выкручивании потенциометра. Резистор берите 0,25 Вт и выводной.

Если вы купили дофига резисторов и забыли их номинал, то вам поможет калькулятор цветовой маркировки резисторов.

Потенциометр лучше поискать хороший. У нас распространены китайские Tommy, вот они попадаются очень плохого качества. Плюс у них со временем стирается внутри графитовое напыление и регуляция частоты начинает работать как-то кособоко.

Остаются лишь транзисторы. На схеме ниже рекомендуется брать транзисторы 2n3904. Но они стабильно работают от 12 вольт. Если же вы хотите подпитать ваш осциллятор батарейкой «крона» (9 вольт), чтобы носить вундервафлю с собой и портить людям жизнь, то лучше брать SS9018 и SS9013. Эти транзисторы даже на 6 вольтах работают дай Боже.

Макетную плату лучше брать текстолитовую. Они у нас продаются зеленого цвета, увесистые, довольно крепкие и зачастую являются двухсторонними.

За предоставленную схему поблагодарим британца-гика Look Mum No Computer.

Если же вы не умеете читать схемы, то вот вам картинка, где показано, как следует разместить все детали на макетной плате. Версия от британца и моя, модифицированная. Вам необходимо будет скопировать расположение деталей точь-в-точь.

Внимание! У транзисторов необходимо отрезать среднюю ножку. Если вы не отрежете, схема работать не будет.

Если что, то вот так оно должно выглядеть в реальной жизни.

После того, как вы разместили компоненты на плате, вам необходимо будет их соединить между собой. Для этого пользуемся параллельным соединением с помощью припаивания к ним небольших кусочков монтажного кабеля. Таким образом смыкаем контакты на одной из горизонтальных полос платы.

Это не совсем правильный подход к решению вопроса, но для начинающих подойдет. Но уметь читать схемы необходимо, это позволяет уменьшать размеры устройств до спичечного коробка и располагать детали как угодно. Если вы не умеете паять, то имеется альтернатива. Все детали нужно разместить не на макетной плате, а на удобной для рисования поверхности. Например, на картонке. После чего купить краску с графитом и ею нарисовать соединения между контактами деталей. Это очень ненадежно, зато просто и весело.

Как правильно паять разъем питания и аудиоразъем

Вам необходимо купить аудиоразъем для корпуса 3,5 мм, тип «мама». У него, как и всего на планете, есть «+» и «-». Центральная длинная ножка от корпуса — это «минус», а две коротких — это «плюсы», левый и правый канал соответственно. Какой паять, выбираете вы.

Если говорить о гнезде для кроны, то тут все намного проще. Черный кабель — это «минус», а красный кабель — это «плюс».

В случае прямых рук, нормальных деталей и терпения вы получите такую вот гуделку:

I stuck 16 of the super simple oscillators demoed by @LOOKMUMNOCMPUTR in a box. I’ve now got my very own box of electric bees pic.twitter.com/ajrRXTNxui

— Shoko Peak (@ShokoPeak) February 22, 2018

Что теперь

Остаются загадочные выходы, подписанные CV. CV (Control Voltage) — это 3.5 мм аудиоразъемы, предназначенные для контроля напряжения. С помощью них можно модудировать исходящий аудиосигнал. Как вы уже догадались, частенько CV используются в модульных синтезаторах. Вот этот Ктулху из проводов — это пропатченные (соединенные) между собой CV-выходы.

Чтобы сделать подобный CV для нашего осциллятора, нам понадобится смастерить оптрон (вольтрон, оптопара). Для этого необходимо купить фоторезистор 50КОм и яркий LED (светодиод) белого цвета. Соединить их необходимо не «ножками» друг к другу, а «головками». Грубо говоря, лампочку прислонить к плоскому приемнику фоторезистора.

Все это можно зафиксировать изолентой. Потом необходимо к указанным на картине выходам CV припаять ножки фоторезистора (полярность не важна). А вот длинную ножку LED (+) следует припаять к резистору 10КОм, после чего к «плюсовому» контакту разъема 3.5 мм. Короткую ножку (-) просто припаиваем к минусу аудиоразъема.

Вуаля! У вас получился элементарный модуль Eurorack, который можно пропускать через фильтры, эффекты, подключать к миди-клавиатуре и делать сотню других полезных вещей.

Рабочий лист осцилляторных схем

— Дискретные полупроводниковые приборы и схемы

Пусть сами электроны дадут вам ответы на ваши собственные «практические проблемы»!

Примечания:

По моему опыту, студентам требуется много практики с анализом цепей, чтобы стать профессионалом. С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических задач, над которыми нужно работать, и дают ученикам ответы, с которыми они могут проверить свою работу. Хотя такой подход позволяет студентам овладеть теорией схем, он не дает им полноценного образования.

Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические схемы построения схем и использование испытательного оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: ученики должны построить свои собственные «практические задачи» с реальными компонентами и попытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока. Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которых они не приобрели бы, просто решая уравнения.

Еще одна причина для следования этому методу практики — научить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента.Студенты также разовьют реальные навыки поиска и устранения неисправностей, поскольку они время от времени допускают ошибки при построении схем.

Выделите несколько минут времени со своим классом, чтобы ознакомиться с некоторыми «правилами» построения схем, прежде чем они начнутся. Обсудите эти проблемы со своими учениками в той же сократической манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, вместо того, чтобы просто говорить им, что они должны и не должны делать. Я никогда не перестаю удивляться тому, насколько плохо студенты понимают инструкции, представленные в типичном формате лекции (монолог инструктора)!

Примечание для тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, необходимое ученикам для построения реальных схем вместо того, чтобы просто математически анализировать теоретические схемы:

Какова цель студентов, посещающих ваш курс?

Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, им следует по возможности учиться на реальных схемах.Если ваша цель — обучить физиков-теоретиков, то во что бы то ни стало придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планирует, чтобы наши ученики что-то делали в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потраченное впустую» время, потраченное на создание реальных схем, принесет огромные дивиденды, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

Кроме того, если студенты создают свои собственные практические задачи, они учатся выполнять первичных исследований , тем самым давая им возможность продолжить свое образование в области электрики / электроники в автономном режиме.

В большинстве наук реалистичные эксперименты намного сложнее и дороже, чем электрические схемы. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии хотели бы, чтобы их ученики применяли высшую математику в реальных экспериментах, не представляющих опасности для безопасности и стоивших меньше, чем учебник. Они не могут, но вы можете. Воспользуйтесь удобством, присущим вашей науке, и заставит ваших учеников практиковать математику на множестве реальных схем!

Основы осциллятора

Введение

Эти модули генераторов в Learnabout Electronics описывают, сколько обычно используемых генераторов работает с использованием дискретных компонентов и в форме интегральных схем.Также узнайте, как самостоятельно создавать и тестировать схемы генераторов.

Что такое осциллятор

Генератор обеспечивает источник повторяющегося сигнала переменного тока на своих выходных клеммах без необходимости ввода какого-либо входа (кроме источника постоянного тока). Сигнал, генерируемый генератором, обычно имеет постоянную амплитуду.

Форма и амплитуда волны определяются конструкцией схемы генератора и выбором значений компонентов.

Частота выходной волны может быть фиксированной или переменной, в зависимости от конструкции генератора.

Типы осцилляторов

Рис. 1.0.1 Генератор

(источник переменного тока)
Обозначение цепи

Осцилляторы можно классифицировать по типу генерируемого ими сигнала.

• ОСЦИЛЛЯТОРЫ SINE WAVE выдают синусоидальный сигнал на выходе.
• РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ и НАСТОЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ генерируют прямоугольные волны и прямоугольные импульсы.
• ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ производят пилообразные волны.

Генераторы синусоидальной волны также можно классифицировать по частоте или типу управления частотой, которое они используют.Генераторы RF (радиочастоты), работающие на частотах выше примерно 30-50 кГц, используют LC (катушки индуктивности и конденсаторы) или кристаллы для управления своей частотой. Они также могут быть классифицированы как генераторы HF, VHF и UHF, в зависимости от их частоты.

Генераторы

LF (низкочастотные) обычно используются для генерации частот ниже 30 кГц и обычно представляют собой RC-генераторы, поскольку они используют резисторы и конденсаторы для управления своей частотой.

Генераторы прямоугольной формы, такие как релаксационные и нестабильные генераторы, могут использоваться на любой частоте от менее 1 Гц до нескольких ГГц и очень часто реализуются в виде интегральных схем.

Синусоидальные генераторы.

Рис. 1.0.2 Сети управления частотой

Эти схемы идеально производят чистый синусоидальный сигнал на выходе с постоянной амплитудой и стабильной частотой. Тип используемой цепи зависит от ряда факторов, включая требуемую частоту. Конструкции, основанные на LC-резонансных цепях или на кристаллических резонаторах, используются для ультразвуковых и радиочастотных приложений, но на звуковых и очень низких частотах физический размер резонирующих компонентов L и C был бы слишком большим, чтобы быть практичным.

По этой причине комбинация R и C используется для управления частотой. Условные обозначения схем, используемых для этих сетей управления частотой, показаны на рис. 1.0.2

.

Генераторы LC

Катушки индуктивности и конденсаторы объединены в резонансный контур, который дает очень хорошую форму синусоидальной волны и имеет довольно хорошую стабильность частоты. То есть частота не сильно меняется при изменении напряжения питания постоянного тока или температуры окружающей среды, но относительно просто, используя переменные индуктивности или конденсаторы, создать (настраиваемый) генератор с переменной частотой.Генераторы LC широко используются для генерации и приема радиосигналов там, где требуется переменная частота.

Генераторы RC (или CR)

На низких частотах, таких как аудио, значения L и C, необходимые для создания резонирующего контура, были бы слишком большими и громоздкими, чтобы их можно было использовать на практике. Поэтому резисторы и конденсаторы используются в комбинациях типа RC-фильтров для генерации синусоидальных волн на этих частотах, однако сложнее получить чистую форму синусоидальной волны, используя R и C.Эти низкочастотные генераторы синусоидальной волны используются во многих звуковых приложениях, и используются различные конструкции с фиксированной или переменной частотой.

Кварцевые генераторы

На радиочастотах и ​​выше, когда требуется фиксированная частота с очень высокой степенью стабильности частоты, компонент, определяющий частоту колебаний, обычно представляет собой кварцевый кристалл, который при воздействии переменного напряжения колеблется с очень точной частотой. Частота зависит от физических размеров кристалла, поэтому после изготовления кристалла определенных размеров частота колебаний становится чрезвычайно точной.Конструкции кварцевых генераторов могут генерировать либо синусоидальные, либо прямоугольные сигналы, а также используются для генерации очень точных несущих частот в радиопередатчиках, они также составляют основу очень точных элементов синхронизации в часах, часах и компьютерных системах.

Релаксационные осцилляторы

Эти генераторы работают по другому принципу, чем генераторы синусоидальной волны. Они генерируют прямоугольный или импульсный выходной сигнал и обычно используют два усилителя и схему управления частотой, которая просто создает временную задержку между двумя действиями.Два усилителя работают в режиме переключения, попеременно включаясь или полностью выключаясь, и поскольку время, в течение которого фактически переключаются транзисторы, длится лишь очень небольшую часть каждого цикла волны, остальную часть цикла они » расслабиться «, в то время как временная сеть производит оставшуюся часть волны. Альтернативное название этого типа осцилляторов — «нестабильный мультивибратор», это название произошло из-за того, что они содержат более одного колебательного элемента. В основном есть два осциллятора, т.е.е. «вибраторы», каждый из которых передает часть своего сигнала обратно на другой, и выходной сигнал постоянно меняется с высокого на низкий и обратно, то есть он не имеет стабильного состояния, следовательно, он нестабилен. Осцилляторы релаксации могут быть построены с использованием нескольких различных конструкций и могут работать на многих разных частотах. Astables обычно можно выбрать для таких задач, как создание высокочастотных цифровых сигналов. Они также используются для выработки относительно низкочастотных сигналов включения-выключения для мигающих огней.

Генераторы развертки

Форма волны развертки — это еще одно название пилообразной волны.Это имеет линейно изменяющееся (например, возрастающее) напряжение в течение почти всего одного цикла, за которым следует быстрое возвращение к исходному значению волны. Эта форма волны полезна для изменения (качания) частоты генератора, управляемого напряжением, который представляет собой генератор, частота которого может изменяться в заданном диапазоне за счет подачи на его управляющий вход переменного напряжения «развертки». Генераторы развертки часто состоят из пилообразного генератора, который в основном представляет собой конденсатор, заряжаемый постоянным значением тока.Поддержание постоянного зарядного тока при увеличении зарядного напряжения заставляет конденсатор заряжаться линейно, а не по нормальной экспоненциальной кривой. В заданный момент конденсатор быстро разряжается, чтобы вернуть напряжение сигнала к исходному значению. Эти две части пилообразного волнового цикла называются разверткой и обратным ходом.

осцилляторов | Журнал Nuts & Volts

---

Каждый сигнал начинается с осциллятора — тема этой статьи.В любительском радио генератор является ключевым элементом в генерации сигналов, их смешивании и извлечении из них информации. Давайте посмотрим, как сделать звуковой осциллятор и узнаем об общих типах радиочастотных осцилляторов.

Есть старая поговорка: «Усилители — это генераторы, которые не являются , а генераторы — это усилители, которые делают ». Усилитель лежит в основе каждого генератора, как показано на блок-схеме базового генератора в , рис. 1А, . Каждый осциллятор — даже цифровые версии, мультивибраторы, такие как 555 IC, и те, что находятся в небольших металлических баночках — имеют одинаковую базовую структуру: усилитель, некоторую обратную связь и частотно-определяющий фильтр.

РИСУНОК 1. Блок-схема (A) описывает генератор как три схемы: одна обеспечивает усиление, а две другие возвращают часть выходного сигнала на вход через фильтр. B показывает маятник, который является механической версией системы в A.

---

На рисунке 1B показан маятник, который является примером неэлектронного генератора. ¹ При толчке маятник будет качаться вперед и назад с постоянной частотой, пока трение и сопротивление воздуха не остановят его в исходном положении в центре.Элементом, определяющим частоту маятникового осциллятора, является его длина L. (Интересно, что масса маятника не имеет значения!)

Усилитель — это то, что дает толчок — например, вы. Очевидно, что усилитель имеет большое усиление, потому что вы очень сильны! Предоставляя обратную связь в виде правильного силового толчка в нужное время, вы можете держать маятник в движении вечно — или, по крайней мере, до обеда.

Возвращаясь к Рис. 1A , давайте представим электронную схему в каждом блоке.Идея состоит в том, чтобы некоторая часть, ß , выходного сигнала усилителя подавалась обратно и усиливала его входной сигнал. Затем этот вход усиливается некоторой обратной связью, так что выход в конечном итоге становится самоподдерживающимся; это называется колебанием . Кроме того, чтобы получать колебания только на проектной частоте, а не просто производить случайный шум, система должна включать в себя фильтр для обеспечения селективности ; это означает, что его ответ зависит от частоты. Фильтр может быть LC-схемой, кристаллом или схемой синхронизации — чем-то, что чувствительно к времени или частоте.

Все это создает два требования к нашему генератору общего назначения: во-первых, усилитель должен иметь достаточный коэффициент усиления на частоте колебаний, чтобы преодолевать потери в цепи обратной связи. Во-вторых, отфильтрованный сигнал, возвращаемый на вход, должен поступать с правильной фазой, чтобы усилить, а не отменить входной сигнал.

Эти два условия составляют критерий стабильности Баркгаузена ² :

Коэффициент усиления контура = | Aß | = 1
и
Сдвиг фазы контура = ∠ß = 0 °, 360 °,
720 °… 360 ° x 0, 1, 2 и т. Д.

(Символы | | означают «величину», а символ ∠ означает «фазовый сдвиг». Если вы работаете с радианами вместо градусов, требование фазового сдвига контура указано как ß = 2π n , с n — целое число.)

Итак, как же запускается генератор? Шум! Случайный шум на частоте, для которой фазовый сдвиг является правильным, каждый раз нарастает немного больше вокруг контура. Шум с неправильной фазой в конце концов затихает, потому что не усиливается.В результате на выходе формируется синусоида с желаемой частотой.

Чтобы генератор не нарастал до бесконечного выходного напряжения (или пытался это сделать), схема обычно немного нелинейна, так что усиление контура стабилизируется точно на единицу, когда выходное напряжение достигает желаемого значения.

A Осциллятор с фазовым сдвигом

Gain легко получить в широком диапазоне частот. А как насчет фазового сдвига? Требуемый фазовый сдвиг на 360 ° можно распределить по цепи.Например, если усилитель представляет собой инвертирующий усилитель, он дает сдвиг фазы на 180 °. Остальные 180 ° остаются в цепи обратной связи и / или фильтре.

На рисунке 2 показан генератор с фазовым сдвигом . Конечно, есть и другие схемы с лучшими характеристиками, но эта наиболее близка к базовой схеме, которую мы только что обсудили.

Начнем с цепи обратной связи и фильтра, образованной тремя парами резисторов 10 кОм и 0.Конденсаторы 1 мкФ. Каждая пара образует RC-фильтр нижних частот (резистор-конденсатор), который сдвигает фазу входного сигнала от 0 ° до 90 ° при увеличении частоты. На некоторой частоте фазовый сдвиг составит 60 °.

Частота, при которой каждая RC-секция вносит вклад в фазовый сдвиг 60 °:

f = (тангенциальный 60 °) / 2πRC = 1,73 /
6,28 RC = 0,28 / RC

Для нашей комбинации 10 кОм и 0,1 мкФ эта частота составляет 275 Гц. Когда три идентичные секции соединены каскадом, каждая вносит свой собственный 60 ° фазового сдвига, составляя оставшиеся 180 °, чтобы сформировать генератор с частотой 275 Гц.

На частоте, при которой происходит фазовый сдвиг 60 °, фильтр также снижает наполовину амплитуду входного сигнала. Если три секции соединены спина к спине, то общее снижение уровня сигнала составит 1/2 x 1/2 x 1/2 = 1/8 = 0,125, что является нашим значением ß. Сделать | A ß | не менее 1, A тогда должно быть не менее 8, и это регулируется соотношением R _f к R _i . R _f сделан переменным, чтобы можно было регулировать усиление для учета вариаций компонентов и других эффектов, как мы увидим ниже.

Построение генератора со сдвигом фаз

Для этой схемы вам понадобится источник питания, который может обеспечивать как положительное, так и отрицательное напряжение постоянного тока от 6 В до 12 В. Поскольку потребляемый ток низкий, вы можете использовать батареи для обеспечения питания. Осциллограф (автономный или на основе звуковой карты) необходим, чтобы видеть формы сигналов, генерируемых генератором, и вносить изменения.

• Начнем с построения схемы Рисунок 2 . Конденсаторы 10 мкФ отфильтровывают шум, чтобы предотвратить обратную связь через контакты источника питания операционного усилителя.Установите потенциометр 1 МОм на максимальное сопротивление между его соединениями. Легче всего будет отрегулировать подстроечный горшок с 10-ю поворотами, но однооборотный панельный горшок подойдет, если вы используете ручку, чтобы сделать регулировку более плавной.
• Подключите питание; вы должны увидеть что-то похожее на прямоугольную волну на выходе операционного усилителя. Это показывает, что выход операционного усилителя колеблется между напряжениями источника питания, поскольку коэффициент усиления схемы 1M / 10K = 100 слишком высок для тока в R _f , чтобы уравновесить ток, идущий через R _i от цепи обратной связи. .В результате на выходе возникают скачки между напряжениями источника питания.
• Уменьшите сопротивление потенциометра, чтобы получить неискаженную синусоидальную волну, которая достигает пика в вольт или около того ниже напряжений источника питания, как показано на , рис. 3 . (Это может быть деликатная регулировка с помощью однооборотного потенциометра.) Если у вас двухканальный осциллограф, наблюдайте за входными и выходными напряжениями каждой RC-секции и убедитесь, что каждая из них дает примерно 60 °.
• Измерьте период T выходного сигнала (один полный цикл) и вычислите частоту генератора ( f = 1/ T ).Измерьте сопротивление потенциометра (R _f ) после его снятия с цепи. Вычислите величину усиления усилителя (| A | = сопротивление / 10 кОм).

РИСУНОК 2. Схема генератора с фазовым сдвигом. Каждая пара резисторов мощностью 10 кВт и конденсаторов 0,1 мкФ в цепи обратной связи добавляет 60 ° фазового сдвига на частоте колебаний.

---

РИСУНОК 3. Осциллограммы показывают выходной сигнал операционного усилителя и сигнал с меньшим фазовым сдвигом на выходе первой секции RC-фильтра.

---

Вы, вероятно, заметили, что частота сильно отличалась от первоначального расчета 275 Гц — частота моего генератора была 476 Гц. Падение напряжения на каждой секции RC-фильтра, вероятно, было больше половины. Мои разделы уменьшили вывод до 0,27 от ввода. Также будет обнаружено, что коэффициент усиления усилителя больше восьми, чтобы компенсировать это дополнительное снижение. Сопротивление моего потенциометра составляло 603 кОм, при усилении 60,3 — примерно равном 1 / (0.27 х 0,27 х 0,27).

Эти расхождения возникают в основном из-за того, что мы упустили из виду в процессе проектирования. Каждая RC-секция не дает точно 60 ° фазового сдвига, потому что она загружается следующей секцией в сети. Это вызывает дополнительное падение напряжения и фазовый сдвиг. Операционный усилитель также вносит свой собственный небольшой фазовый сдвиг, а это означает, что полный фазовый сдвиг, необходимый для цепи обратной связи, не будет точно составлять 180 ° на частоте колебаний. Эти два эффекта приводят к более высокой частоте для реальной цепи, при которой | A ß | = 1.

Чтобы увидеть влияние ограничений усиления операционного усилителя на более высоких частотах, измените конденсаторы обратной связи с 0,1 мкФ на 0,001 мкФ, увеличив частоту сдвига фазы 60 ° для каждой RC-секции примерно до 27,5 кГц. На этой частоте операционный усилитель 741 не может заставить свой выходной сигнал изменяться достаточно быстро, чтобы создать синусоидальную волну. (Максимальная скорость, с которой операционный усилитель может изменять свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания , которая измеряется в В / мкс.) В результате форма выходного сигнала изменится на нечто, больше похожее на треугольную волну. — независимо от того, как вы настраиваете усиление усилителя.

Ошибки фазового сдвига и падения напряжения, вызванные воздействием нагрузки каждой RC-секции, можно устранить, добавив буферный усилитель между каждой секцией. Замените одиночный операционный усилитель на четырехъядерный, например LM324. Одна секция операционного усилителя заменит существующий LM741. Добавьте повторитель напряжения между каждой RC-секцией с выходом операционного усилителя, подключенным непосредственно к его инвертирующему входу, и подключите входной сигнал к неинвертирующему входу. (Эта схема показана на рисунке 7 в примечании к применению Texas Instruments, Конструкция синусоидальных генераторов на операционном усилителе . ³ )

Поскольку повторитель напряжения представляет очень высокий входной импеданс по отношению к предыдущей схеме, каждая RC-секция может действовать больше как идеальный фильтр, который мы представляли в процессе проектирования.

Результирующая частота колебаний и коэффициент усиления, необходимый для достижения колебаний, должны измениться в пределах 20% от первоначально рассчитанных значений. (Допустимое отклонение для большинства конденсаторов 0,1 мкФ и 0,001 мкФ обычно составляет от 10% до 20%, что также допускает множество вариаций.)

RF Генераторы

Цепи, используемые в генераторах RF, отличаются от схем, используемых для более низких частот.RC-цепи с фазовым сдвигом обычно не используются на частотах выше нескольких МГц. Значения R или C становятся практически малыми, что делает генератор чувствительным к паразитным сопротивлениям и емкостям, которые ставят под угрозу стабильность и согласованность. В диапазоне МГц намного проще использовать катушки индуктивности и конденсаторы для формирования схем фазового сдвига, которые называются резонаторами .

В большинстве ВЧ-генераторов используются дискретные устройства, такие как биполярный транзистор или полевой транзистор, поскольку большинство интегрированных операционных усилителей не предназначены для обеспечения необходимого усиления на высоких частотах.С практической точки зрения, операционный усилитель с широким диапазоном частот с высоким коэффициентом усиления намного дороже дискретных транзисторов, таких как 2N3904 (биполярный NPN) или J310 (N-канальный JFET).

Эти детали стоят копейки и имеют коэффициент усиления на частотах до нескольких сотен МГц. В результате при RF выше 1 МГц наиболее эффективные схемы используют транзисторный усилитель с обратной связью и требуемым фазовым сдвигом, обеспечиваемым резонатором, таким как параллельный LC-контур.

Знакомство с Хартли и Колпитсом

Еще в 1920-х годах два человека по имени Хартли и Колпиттс придумали разные схемы в Figure 4 , которые стали популярными в радиотехнике.

РИСУНОК 4. Генераторы Колпитса и Хартли работают по одним и тем же принципам, но используют разные соединения с LC-фильтром и цепью обратной связи, которая называется резонатором. (Схема смещения опущена для ясности.)

---

В каждом из них обратная связь обеспечивается путем прохождения части схемы эмиттера через делитель напряжения, созданный двумя реактивными сопротивлениями (L или C). Если реактивный делитель представляет собой пару конденсаторов, это генератор Колпитца.

Если реактивный делитель представляет собой пару катушек индуктивности или — чаще всего — одиночную катушку индуктивности с отводом на части витков, схема представляет собой генератор Хартли.Эти же схемы широко используются сегодня почти 100 лет спустя!

Цепи генераторов Хартли и Колпиттса очень похожи по поведению, но их различия влияют на выбор разработчика. Например, Hartley имеет более широкий диапазон настройки и меньше компонентов, чем Colpitts.

Colpitts, однако, дешевле, потому что в нем отсутствует индуктор с ответвлениями, и у него есть несколько популярных вариантов с хорошей стабильностью. Мы рассмотрим ВЧ-генераторы более подробно в следующей статье.

Прототипирование в РФ

Большинство производителей электроники и экспериментаторов хорошо знакомы с беспаечными макетами. Они очень удобны и просты в использовании для различных схем, но не очень подходят для аналоговых схем на частотах выше пары МГц.

Полоски контактов непредсказуемо увеличивают емкость цепи; провода и выводы компонентов начинают становиться достаточно длинными, чтобы иметь значительную индуктивность; и контролировать свое заземление может быть очень сложно.

Радиолюбители

представляют собой отличную замену работе с радиочастотными цепями, называемую «уродливой» или «манхэттенской» конструкцией. В этом стиле прототипирования пустой кусок покрытой медью печатной платы (PCB) используется в качестве заземляющего слоя. Компоненты, требующие заземления, можно припаять непосредственно к заземляющей пластине.

Для создания уродливых незаземленных переходов в качестве опорных стоек используются резисторы высокой стоимости (обычно 1 МОм или более). Кроме того, в манхэттенском стиле в качестве изолированных точек подключения используются небольшие прокладки из материала печатной платы.

Контактные площадки либо припаяны к заземляющей пластине (требуются двусторонние контактные площадки печатной платы), либо приклеены к заземляющей пластине горячим клеем.

Рисунок 5 показывает типичный пример «уродливой конструкции». Это генератор Хартли для любительского 40-метрового диапазона около 7 МГц. Фактически, я использовал телеграфный ключ, чтобы включать и выключать этот осциллятор, проводя пару «QSO» или контактируя с ближайшими радиолюбителями, используя несколько милливатт мощности (также известную как мощность QRP) от этого мощного арахисового свистка!

РИСУНОК 5. Типичный прототип RF, использующий «некрасивую» конструкцию, в которой заземляющие соединения выполняются непосредственно с заземляющей пластиной медной печатной платы. Это генератор Хартли для любительского 40-метрового диапазона около 7 МГц.

---

Если вы собираетесь строить ВЧ-компоненты самостоятельно, плата для прототипирования ВЧ-сигналов станет полезным дополнением к рабочему столу. Вам понадобится большой кусок односторонней или двусторонней печатной платы (не менее 8 x 8 дюймов) и толстый кусок дерева размером с печатную плату или немного больше него.

Просверлите монтажные отверстия в углу печатной платы и прикрепите ее к деревянной основе с помощью шурупов.Это дает вам большую поверхность для работы, а основание делает его достаточно тяжелым, чтобы его не тащили измерительные провода и кабели. Я прикрепил резиновые ножки к нижней части моей деревянной основы.

После того, как вы закончите (и перед каждым использованием), протрите доску подушечкой Scotch-Brite ™, чтобы удалить отпечатки пальцев и окисление. Тампон, смоченный медицинским спиртом, также очистит доску от масел или жиров. Цель состоит в том, чтобы иметь поверхность, легко поддающуюся пайке.

Как только вы приобретете небольшой опыт работы с этим типом конструкции для ВЧ-схем, вы обнаружите, что это быстрый и эффективный способ создания прототипов даже сложных ВЧ-схем, прежде чем переносить их на настоящую печатную плату или встраивать их в корпус оборудования. NV

---

Руководства по построению цепей

Умение строить и тестировать схемы на ВЧ — полезный навык, но требует небольшой практики. Чак Адамс K7QO написал отличное и подробное руководство, Manhattan Building Techniques , которое можно загрузить с веб-сайта QRP ME, продукты которого популярны среди операторов маломощных радиолюбителей ( www.qrpme.com/docs/K7QO%20Manhattan.pdf ). Кроме того, вы можете найти всевозможные советы и инструкции по сборке, щелкнув ссылку Radio Technology Topics по адресу arrl.org / tech-portal и в моем собственном Circuitbuilding for Dummies Do-It-Yourself .

---

Список литературы

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Pendulum
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_stability_criterion
3. https: // www. ti.com/sitesearch/docs/universalsearch.tsp?searchTerm=Oscillators#q=Oscillators&t=everything&linkId=1

---

Осцилляторы

RF | Журнал Nuts & Volts

---

Ранее мы узнали, что заставляет осциллятор делать то, что он делает, и попробовали простой низкочастотный пример.Теперь пора перейти на более высокую частоту к генераторам, которые создают сигналы, управляющие беспроводным миром радиолюбителей.

Давайте вернемся на минутку. Во-первых, генераторы нуждаются в усилении ( A ), частотно-избирательном фильтре и контуре положительной обратной связи (ß), которые в совокупности удовлетворяют критерию Баркгаузена, A ß = 1. ¹ Даже если вы этого не сделали. Я не собираюсь создавать осциллятор, если эти три условия присутствуют, осциллятор у вас будет!

В RF были разработаны два основных типа осцилляторов для создания обратной связи через реактивные сопротивления, которые образуют делитель напряжения с индуктивностью (осциллятор Хартли) или емкостью (осциллятор Колпитца).Вот где мы оставили вещи.

Практические ВЧ генераторы

Два схематических фрагмента в , часть 1 продемонстрировали основную идею, но не были практическими схемами, в них были пропущены такие важные элементы, как источники питания, смещение и выходные соединения. Итак, как же на самом деле сделать осциллятор? На рисунках 1 и 2 показана пара реально работающих схем генератора.

РИСУНОК 1. Генератор Хартли будет работать около 7.9 МГц. Полевые транзисторы J310 в корпусах TO-92 со сквозным отверстием можно приобрести у Mouser Electronics ( www.mouser.com ), а в корпусах SMT — у многих поставщиков. Индуктор Lt-a состоит из 17 витков сплошного провода №24 или №26 на тороиде из порошкового железа типа 6 диаметром 0,5 дюйма. Индуктор Lt-b состоит из 10 витков на тороиде из порошкового железа типа 6 диаметром 0,3 дюйма. Для лучшей стабильности Ct должен быть из полистирольной пленки или посеребренного слюдяного конденсатора. Типы порошкового железа относятся к продукции Amidon Corporation ( www.amidoncorp.com ). + V может составлять от 6 В до 15 В с отличными результатами.

---

РИСУНОК 2. Генератор Колпитца будет работать около 7,5 МГц. Индуктор Lt такой же, как Lt-a в , рис. 1 , и оба Ct-a и Ct-b должны быть из полистирольной пленки или конденсаторов из посеребренной слюды.

---

Вы можете создать их и слушать их выходной сигнал на мировом диапазоне или любительском приемнике между 7,5 и 8 МГц. (Вам нужно будет слушать в режиме SSB или CW, поскольку устойчивый выходной сигнал не имеет модуляции, которую может обнаружить AM-радио.)

Каждый из осцилляторов имеет параллельный LC-контур «резервуар», который является фильтром на его резонансной частоте. Фильтр, в свою очередь, определяет частоту генератора. Эти компоненты имеют обозначения C _t и L _t .

Почему контур LC называется контуром резервуара? Потому что он накапливает энергию как электрический маховик. Энергия колеблется взад и вперед от катушки индуктивности к конденсатору на резонансной частоте цепи. Положительная обратная связь дает немного энергии, а затвор JFET — немного.Резонансная частота контура резервуара: y

Для схемы Хартли ( рис. 1 ), L _t = L _ta + L _tb = 1,48 мкГн, потому что две катушки индуктивности включены последовательно, таким образом ƒ _O = 7,96 МГц. В схеме Колпитца (, рис. 2 ), C _t = ( C _ta x C _tb ) / ( C _ta + C _tb ) = 410 пФ, потому что два конденсатора включены последовательно.Таким образом, _O = 7,5 МГц. Обе схемы взяты из превосходного справочника по проектированию электроники Experimental Methods in RF Design Hayward (W7ZOI), Campbell (KK7B) и Larkin (W7PUA).

Каково назначение других компонентов схемы? C _byp — это байпасный конденсатор для удержания стока JFET на сигнальной земле. Это усилитель с обычным стоком, похожий на эмиттер-повторитель в мире биполярных транзисторов. R _src ограничивает ток через JFET до нескольких мА — в зависимости от значения + V — который может составлять от шести до 15 вольт с хорошими результатами.

Выходной сигнал схемы снимается через реактивное сопротивление 2 кОм через выход C _и . Если требуется больше сигнала, для усиления сигнала можно использовать буферный усилитель с высоким входным сопротивлением (эмиттер- или истоковый повторитель).

R _g стабилизирует постоянное напряжение на затворе во время колебаний, так что JFET усиливает последовательно.

C _cpl — это конденсатор связи , который пропускает небольшое количество высокочастотной утечки на затвор полевого транзистора Q1.Он имеет высокое реактивное сопротивление на частоте 8 МГц ( X _C = 1 / 2π ƒC = 7,4 кОм), поэтому контур резервуара «слабо нагружен» — это означает, что количество энергии, которое выходит из резервуара через C _cpl мала по сравнению с энергией, накопленной в контуре бака. Это помогает поддерживать стабильную частоту генератора и снижает шум в выходном сигнале.

C _fbk в цепи Хартли — это путь обратной связи от источника JFET к цепи резервуара.Поскольку он подает энергию — вместо того, чтобы извлекать энергию из контура бака , его реактивное сопротивление может быть ниже (около 425 Ом). Более низкое значение также добавляет меньший сдвиг фазы в этот важный путь прохождения сигнала.

Сигналы истока и затвора для JFET, обеспечивающего усиление, синфазны, поэтому подача сигнала обратно через C _fbk создает положительную обратную связь, необходимую для генератора. C _fbk требуется в цепи Хартли для обеспечения тракта радиочастотного сигнала, не позволяя постоянному току проходить через L _t-b на землю.Это не требуется в цепи Колпитса, потому что C _t-a и C _t-b блокируют любой протекание постоянного тока.

D _g — это забавно выглядящий компонент, предназначение которого неочевидно. Помните, что генератор «запускается», усиливая шум все больше и больше, пока не появится самоподдерживающийся сигнал. Как осциллятор узнает, когда нужно прекратить увеличивать уровень сигнала? Что ж, это не так!

Если ограничивающий механизм отсутствует, сигнал будет нарастать до тех пор, пока его нельзя будет усилить дальше, создавая искаженный прямоугольный выходной сигнал.Не подходит для радио!

Решением грубой силы является D _g , который начинает проводить, когда положительный полупериод синусоидального сигнала становится больше, чем примерно 0,5 В. Это загружает вход и снижает усиление, действуя как тормоз системы. (Отрицательные пики являются самоограничивающимися, поскольку они отсекают JFET.)

Вы можете сделать генераторы на рисунках 1 и 2 регулируемыми — то, что радиолюбители называют VFO , что является аббревиатурой от Variable Frequency Oscillator — путем добавления переменных конденсаторов в контур емкости.

Небольшой переменный конденсатор 20-30 пФ в цепи резервуара (от C _cpl к земле в любой цепи) сдвигает частоту генератора до 10%. Изменить значение катушки индуктивности не так просто, и умные разработчики схем обнаружили, что переменный конденсатор, включенный последовательно с катушкой индуктивности, может нейтрализовать часть индуктивного сопротивления, изменяя также частоту генератора. Называется это — как ни странно — тюнинг серии .

Влияние компонента Q

Как конденсаторы, так и катушки индуктивности, определяющие ƒ _O , рассеивают часть проходящей через них РЧ-энергии в виде тепла.Потери в конденсаторе в основном вызваны диэлектрическим материалом (например, полистиролом или слюдой), в то время как индуктор теряет энергию из-за сопротивления в проводе и в его магнитопроводе. Помните, что скин-эффект ограничивает ток катушки индуктивности очень тонким слоем на поверхности провода, поэтому сопротивление на RF будет намного выше, чем сопротивление, которое вы измеряете мультиметром постоянного тока.

Эффект этих потерь снижает компоненты — и, следовательно, контур резервуара — Q , или коэффициент качества .Q может показаться загадочным, но это мера потери энергии с Q = энергия, накопленная в течение одного цикла / энергия, потерянная в течение одного цикла . Для компонента Q — это отношение реактивного сопротивления к сопротивлению.

Например, если у катушки индуктивности 500 Ом реактивного сопротивления и 5 Ом сопротивления потерь, это будет Q = X _L / R = 500/5 = 100 — типичное значение для катушек индуктивности. Конденсаторы имеют гораздо более высокие значения Q; несколько сотен и больше. Более высокие значения Q означают, что «маховик» продолжает вращаться без значительного замедления или изменения частоты.(Добротность цепи LC-резервуара ограничена добротностью компонента с наибольшими потерями — обычно индуктора.)

Помните, что контур резервуара действует как первичный фильтр для нашего контура обратной связи. Чем меньше потери в фильтре, тем больше шума он пропускает к полевому транзистору, который успешно усиливает все, что появляется на затворе. Таким образом, в генераторе баковый контур Q определяет спектральную чистоту генератора — то есть, насколько первичная желаемая синусоида сопровождается шумами и искажениями различного рода.Если вам нужен чистый сигнал, используйте Ls и C самого высокого качества.

Кристалл кварца

Даже самые лучшие генераторы LC не так стабильны, и большинство из них имеют много шума в своих выходных сигналах. Конечно, это удобные схемы, но они не подходят для точных работ, таких как генерация тактовых сигналов для цифровых схем и задающих генераторов для радиолюбительских приемопередатчиков. В этих приложениях используется другой тип цепи резервуара: кварцевый кристалл .Кварц — это пьезоэлектрический материал , в котором механическое напряжение создает напряжение на материале и наоборот.

Не вдаваясь в подробное обсуждение того, как работает пьезоэлектричество, представьте себе тонкий кварцевый диск с металлическими электродами, приложенными к каждой стороне, как на , рис. 3A, .

РИСУНОК 3. Базовая конструкция кварцевого кристалла для генераторов показана на A вместе с изображением сдвиговых колебаний толщины кристалла.Эквивалентная электрическая схема для кристалла показана в B и описана в тексте.

---

Когда между электродами подается напряжение, кварцевый диск деформируется перпендикулярно своей толщине — это называется сдвигом по толщине — как показано на рисунке. (Чтобы произошла деформация этого типа, кристалл кварца должен быть разрезан вдоль одной конкретной оси, чтобы внутренние молекулы выстроились правильно. Такая ориентация диска называется срезом AT .)

При подаче переменного напряжения в кварцевом диске могут возникать стоячие волны.В свою очередь, когда стоячие волны движутся через кварц, возникают волны напряжения с обменом энергии между механической и электрической формами. Это должно звучать аналогично тому, как цепь LC-резервуара непрерывно передает электрическую энергию между катушкой индуктивности и конденсатором.

Если частота импульсов правильная, заставляя диск вибрировать на своей собственной резонансной частоте, создавая, в свою очередь, импульсы напряжения, правильно сконфигурированная схема генератора может усилить и усилить вибрации и импульсы напряжения.Подобно тому, как LC-генератор постепенно создает устойчивые колебания из отфильтрованного шума, кварцевый генератор создает колебания, возбуждая колебания кварцевого диска, который действует как фильтр.

Эквивалентная электрическая схема для кристалла кварца на его основной частоте — самой низкой, при которой он имеет собственный резонанс, — показана на Рис. 3B . (Колебания, кратные основной частоте, называются обертонами .) C1 и L1 представляют движение кристалла при его вибрации. R1 представляет собой эквивалентное последовательное сопротивление или ESR кристалла (обычно несколько десятков Ом), а C0 представляет неподвижную емкость между электродами, паразитную емкость в держателе кристалла и так далее.

Особенностью кварцевого диска является то, что он имеет чрезвычайно высокую добротность — порядка 100 000! (Для сравнения, добротность хорошей LC-цепи составляет всего 100-200.) Это означает, что генератор, использующий кварцевый кристалл для управления его частотой, будет иметь превосходную стабильность частоты и очень низкий уровень шума.Это делает кварцевых генераторов выбор для требовательных приложений, таких как сигналы генерации опорных частот.

Осциллятор Пирса

Наиболее распространенным типом кварцевого генератора является схема Пирса, показанная на рис. 4 . Это разновидность генератора Колпитца, в котором кристалл в резонансном режиме серии используется для создания положительной обратной связи от коллектора транзистора к базе. Когда внутренние L и C кристалла имеют равные реактивные сопротивления, они компенсируются, оставляя только последовательное сопротивление.Для колебания цепи существует множество сигналов обратной связи.

РИСУНОК 4. Схема кварцевого генератора Пирса, которая может использоваться в диапазоне от 2 до 20 МГц. Если требуется настройка частоты кристалла, вставьте подстроечный колпачок от 50 до 100 пФ между кристаллом и коллектором транзистора.

---

Внимательный читатель мог заметить, что обратная связь идет от коллектора транзистора, который на 180 ° не совпадает по фазе с базой. Это противоположно схемам на рисунках 1 и 2 , где обратная связь была от источника JFET, который был синфазен с затвором.

Дополнительный фазовый сдвиг обеспечивается кристаллом, который — при последовательном резонансе — имеет фазовый сдвиг от 45 ° до 60 °, что требует дополнительного фазового сдвига, создаваемого R1 и C1, чтобы сделать общий фазовый сдвиг 360 °. R1 также обеспечивает смещение для базы транзистора.

Эта схема (также из Experimental Methods for RF Design ) не критична и будет работать с большинством кристаллов от 2 до 20 МГц. Скорее всего, подойдет любой высокоскоростной NPN-транзистор. Этот гаджет станет отличным тестером кристаллов с барахолки, если на выходе добавить буферный усилитель с простым детектором сигнала, использующим светодиод в качестве визуального индикатора.

Существуют лучшие конструкции для обеспечения стабильности сигнала, снижения шума и т. Д., Но этот простой генератор поможет вам начать работу. Если вы хотите «подрезать» частоту кристалла до точного значения, вам подойдет регулируемый конденсатор от 50 до 100 пФ, подключенный последовательно к кристаллу.

Поскольку радиолюбители большую часть времени не привязаны к каналам с фиксированной частотой, потребовался приемлемый обходной путь, чтобы обеспечить хорошую стабильность частоты с некоторой гибкостью. Таким образом, был разработан осциллятор VXO или Variable Xtal (кварцевый) , который использовался во многих маломощных и самодельных радиоприемниках для упрощения схем, при этом обеспечивая сигнал хорошего качества.Эта тема станет отличным дополнительным чтением!

Генератор логического затвора

Цифровые разработчики часто используют вариант схемы Пирса с коэффициентом усиления, обеспечиваемым инвертором, как показано на рис. 5 . R _fbk смещает инвертор в его линейную область, чтобы он мог действовать как надлежащий усилитель. C1 и C2 создают необходимый фазовый сдвиг вместе с R _s , так что имеется полный фазовый сдвиг на 360 ° по всей цепи.

РИСУНОК 5.Логические инверторы могут использоваться с кристаллом, как показано здесь, обеспечивая прямую цифровую прямоугольную форму выходного сигнала. Этот тип схемы популярен среди микропроцессоров, которые часто предоставляют инвертор специально для создания тактового генератора.

---

Поскольку существует много типов логических семейств и эти схемы используются в широком диапазоне частот, я рекомендую вам прочитать отличный учебник по генераторам логических вентилей от компании Crystek — известного производителя кристаллов. ² Еще один классический справочник по генераторам логических вентилей — это 1974 Fairchild App Note 118 по CMOS Oscillators. ³

Еще осцилляторы, детка!

Эта пара колонок едва ли коснулась поверхности типов и конструкций осцилляторов. Есть много вариантов, как вы увидите, когда начнете их искать.

Тем не менее, теперь вы немного знаете об основах работы осцилляторов. Готов поспорить, вы уже чувствуете, как ваши знания накапливаются в устойчивых колебаниях! NV

---

Зацикленные на микрофоне

Если вы построили один из осцилляторов на рисунках 1 или 2 , настройте их на приемник и дайте им стабилизироваться термически, чтобы сигнал не сильно дрейфовал.Затем очень-очень осторожно постучите по монтажной плате или рабочему столу рядом с цепью, прислушиваясь к сигналу. По всей вероятности, частота генератора будет скачиваться с каждым нажатием.

Эта чувствительность к механической вибрации называется микрофоном. Любой тип вибрации вызовет изменение частоты генератора. Фактически, если вы перенесете трубку в другую комнату и попросите вашего помощника сказать что-то вроде: «Ватсон, иди сюда, ты мне нужен!» очень громко и прямо на осциллятор, вы, вероятно, сможете услышать, как частота осциллятора модулируется голосом.

Вы также заметите длительные медленные изменения частоты — быстрее, если вы поднесете источник тепла к контурам резервуара генератора. Это называется тепловым дрейфом. Сложно сделать стабильный LC-генератор.

Если это обсуждение генераторов вызывает у вас свисток, вы можете найти множество практических схем построения и эксплуатации среди занятых и активных энтузиастов QRP (малой мощности). Маломощные «буровые установки» (радиостанции) недороги в изготовлении и модификации, и между «QRPers» много делятся и поощряют, когда они проектируют и строят свое снаряжение.Вы можете узнать больше о QRP, действующем на веб-странице технического портала ARRL по адресу www.arrl.org/tech-portal в разделе «Технические специальности». Щелкните QRP — Low-Power Operating, чтобы найти длинный список клубов и веб-ресурсов.

---

Ресурсы

en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_stability_criterion
https://www.crystek.com/home/crystek/appnotes.aspx
www.fairchildsemi.com/evaluate/application-noetails/fairchildsemi.com/evaluate/application-noetails/fairchildsemi. 10789

---

Как сделать простой осциллятор

Обновлено 15 декабря 2018 г.

Крис Дезил

В физике осциллятор — это любое устройство, которое непрерывно преобразует энергию из одной формы в другую.Маятник — простой пример. Когда он находится на вершине поворота, вся его энергия является потенциальной энергией, а внизу, когда он движется с максимальной скоростью, он имеет только кинетическую энергию. Если вы изобразите зависимость потенциала от кинетической энергии по зубцу, вы получите повторяющуюся форму волны. Движение маятника непрерывно, поэтому волна будет чистой синусоидой. Потенциальная энергия, которая запускает циклический процесс, обеспечивается работой, которую вы делаете, чтобы поднять маятник. Как только вы отпустите его, маятник будет колебаться бесконечно, если бы не сила воздушного трения, которая сопротивляется его движению.

Это принцип, лежащий в основе резонирующего электронного генератора. Напряжение, подаваемое источником постоянного тока, например батареей, аналогично работе, которую вы выполняете, когда поднимаете маятник, а высвобождаемый электрический ток, который течет от источника питания, циклически проходит между конденсатором и индуктивной катушкой. Этот тип схемы известен как LC-генератор, где L обозначает индукционную катушку, а C обозначает конденсатор. Это не единственный тип осциллятора, но это самодельный осциллятор, который вы можете построить без необходимости паять электронные компоненты на печатную плату.

Простая схема генератора — LC-генератор

Типичный LC-генератор состоит из конденсатора и индуктивной катушки, соединенных параллельно и подключенных к источнику постоянного тока. Мощность поступает в конденсатор, представляющий собой электронное устройство, состоящее из двух пластин, разделенных изоляционным материалом, известным как диэлектрик. Входная пластина заряжается до максимального значения, и когда она достигает полного заряда, ток течет через изоляцию к другой пластине и продолжает катушку.Ток, протекающий через катушку, индуцирует магнитное поле в сердечнике индуктора.

Когда конденсатор полностью разряжен и ток перестает течь, магнитное поле в сердечнике индуктора начинает рассеиваться, что создает индуктивный ток, который течет в противоположном направлении обратно к выходной пластине конденсатора. Эта пластина теперь заряжается до максимального значения и разряжается, посылая ток в обратном направлении обратно к катушке индуктивности. Этот процесс продолжался бы вечно, если бы не электрическое сопротивление и утечка из конденсатора.Если бы вы изобразили текущий поток, вы бы получили форму волны, которая постепенно вырождается в горизонтальную линию на оси x.

Изготовление компонентов для самодельного осциллятора

Вы можете сконструировать компоненты, необходимые для самодельной генераторной схемы, используя материалы для дома. Начнем с конденсатора. Разверните полиэтиленовую пленку для пищевых продуктов длиной около 3 футов, а затем положите на нее лист алюминиевой фольги, не такой широкий или длинный. Накройте его другим листом пластика, идентичным первому, а затем положите второй лист фольги, идентичный первому листу фольги, поверх него.Фольга — это проводящий материал, который накапливает заряд, а пластик — это диэлектрический материал, аналогичный изоляционной пластине в стандартном конденсаторе. Приклейте к каждому листу фольги по длине медной проволоки 18-го калибра, затем сверните все в форму сигары и оберните ее лентой, чтобы скрепить.

Для изготовления индукционной катушки используйте большой стальной болт, такой как болт с квадратным подголовком 1/2 или 3/4 дюйма, для сердечника. Оберните вокруг него провод 18 или 20 калибра несколько сотен раз — чем больше раз вы наматываете провод, тем большее напряжение будет выдавать катушка.Оберните провод слоями и оставьте два конца провода свободными для соединения.

Вам понадобится источник постоянного тока. Вы можете использовать одну 9-вольтовую батарею. Также нужно что-то для проверки схемы. Вы можете использовать мультиметр, но светодиодная лампа проще (и эффектнее).

Ready, Set, Oscillate

Для начала вам необходимо подключить конденсатор и катушку индуктивности параллельно. Сделайте это, скрутив один провод от катушки индуктивности к одному из проводов конденсатора, а затем скрутив два других провода вместе.Полярность не важна, поэтому не имеет значения, какие провода вы выберете.

Далее нужно зарядить конденсатор. Сделайте это с помощью пары проводов с зажимами типа «крокодил» на обоих концах или возьмите зажим для батареи, который подходит к верхней части 9-вольтовой батареи. Зажмите один вывод на одну пару скрученных вместе проводов, а другой конец — на одну из свободных клемм аккумулятора, затем используйте другой провод для подключения другой пары проводов к другой клемме аккумулятора.

Для зарядки конденсатора и начала колебания цепи может потребоваться 5 или 10 минут.По истечении этого времени отсоедините один вывод от батареи и зажмите его на одном из проводов светодиода, затем отсоедините другой провод и закрепите его на другом выводе светодиода. Как только вы замкнете цепь, светодиод должен начать мигать. Это признак того, что осциллятор работает. Оставьте цепь подключенной, чтобы посмотреть, как долго светодиод будет мигать.

Использование конденсаторного осциллятора

Генератор, который вы можете построить с конденсатором, обернутым фольгой, и индуктором с болтом с квадратным подголовком, является примером LC-контура или настраивающего генератора.Это тип генератора, используемый для отправки и приема радиосигналов, генерации радиоволн и смешивания частот. Другой важный конденсаторный генератор — это генератор, в котором используются конденсаторы и резисторы для преобразования входных сигналов постоянного тока в пульсирующие сигналы переменного тока. Этот тип генератора известен как генератор RC (резистор / конденсатор), и он обычно включает в себя один или несколько транзисторов.

RC-генераторы имеют множество применений. По одному в каждом инверторе, который представляет собой машину, преобразующую постоянный ток в переменный ток дома.Инвертор — важный компонент любой фотоэлектрической электрической системы. Кроме того, RC-генераторы широко используются в звуковом оборудовании. Синтезаторы используют RC-генераторы для генерации звуков, которые они издают.

Сделать RC-генератор из найденных материалов не так просто. Чтобы сделать его, вам обычно приходится работать с настоящими схемными компонентами, печатными платами и паяльником. Вы можете легко найти схемы простой схемы RC-генератора в Интернете. Форма сигнала конденсаторного генератора зависит от емкости конденсаторов, сопротивления резисторов, используемых в цепи, и входного напряжения.Взаимосвязь немного сложна математически, но ее легко проверить экспериментально, построив схемы генератора с различными компонентами.

7 ключевых факторов при проектировании схемы кварцевого генератора

Есть 7 ключевых факторов для понимания успешной конструкции схемы кварцевого генератора. К ним относятся

1. Последовательная цепь
2. Емкость нагрузки
3. Параллельная цепь
4. Уровень драйва
5. Частота и режим
6. Рекомендации по проектированию
7. Отрицательное сопротивление

В этом посте мы собираемся охватить основы конструкции генератора и каждый из 7 ключевых компонентов конструкции великолепной схемы кварцевого генератора.

Что такое схема кварцевого генератора? (Основы схемы генератора)

Цепи кварцевого генератора

состоят из усилителя и цепи обратной связи. Сеть обратной связи принимает определенный выходной сигнал от усилителя и отправляет его обратно на вход усилителя. В вытянутом виде выглядит довольно просто …

… но чем глубже мы идем, тем сложнее. Держись крепче!

Для эффективной работы схемы кварцевого генератора должны быть соблюдены 2 критических условия:

1. Коэффициент усиления мощности контура должен быть равен унисону
2. Фазовый сдвиг контура должен быть эквивалентен 0, 2Pi, 4Pi и т. Д.радианы.

Мощность, направляемая обратно на вход усилителя, должна быть достаточной для питания входа усилителя, выхода генератора и преодоления потерь в цепи.

Точная частота генератора определяется фазовыми сдвигами контура в контуре генератора. Любое изменение фазового сдвига приведет к изменению частоты. Один из лучших способов уменьшить суммарный фазовый сдвиг — использовать кристалл кварца в контуре обратной связи. Все кристаллы, которые мы производим здесь, в Bliley, включают кристаллы кварца (кварцевые генераторы).

Прочтите по теме: Понимание типов кристаллов внутри ваших осцилляторов

Когда кварцевый кристалл используется в цепи обратной связи генератора, выходная частота генератора фактически регулируется сама собой. Кристалл кварца создает реактивное сопротивление, которое удовлетворяет требованиям фазового контура.

Этого должно быть достаточно для твердого понимания основ конструкции кварцевого генератора. Давайте продолжим здесь, перейдя к 7 ключевым соображениям при проектировании схемы кварцевого генератора.

7 основных соображений при проектировании схемы кварцевого генератора

1. Последовательная цепь

В кварцевом генераторе с последовательной схемой используется кварцевый резонатор, работающий на собственной резонансной частоте. Для этого типа схемы нет необходимости в конденсаторах в цепи обратной связи. Цепи последовательного резонансного генератора довольно просты и обычно используются из-за небольшого количества компонентов.

Последовательная схема может обеспечивать пути обратной связи, отличные от кристалла.Это означает, что схема может продолжать колебаться на субъективной частоте … даже во время отказа кристалла.

Существенным недостатком последовательной схемы является то, что вы не можете регулировать выходную частоту, если система требует модификации. Последовательный резонансный кристалл разработан с учетом предпочтительной частоты, допуска и стабильности и не требует настройки.

2. Емкость нагрузки

Емкость нагрузки может играть решающую роль в конструкции схемы генератора.Вы увидите пример важности емкости нагрузки при следующем рассмотрении конструкции, а пока давайте более подробно рассмотрим саму емкость нагрузки.

Емкость нагрузки

описывается как величина емкости , измеренная или вычисленная на клеммах кристалла в схеме.

Когда дело доходит до последовательной цепи, между точками подключения кварцевой цепи нет емкости. Следовательно, в цепи нет нагрузочной емкости. Другое дело с параллельными цепями.

Для определения емкости нагрузки в параллельной цепи (описанной в соображениях проектирования 3) используйте это удобное уравнение …

В этом уравнении LC1 и LC2 представляют нагрузочные конденсаторы. Cs — блуждающая емкость цепи (обычно от 3 до 5 пФ).

3. Параллельная цепь

Схема параллельного резонансного генератора сконструирована с кристаллом, который рассчитан на работу с определенной емкостью нагрузки. Это заставляет кварцевый генератор работать с частотой, которая выше, чем последовательная резонансная частота, но ниже, чем истинная параллельная резонансная частота.

Чтобы завершить контур обратной связи в схеме этого типа, вы должны спроектировать маршруты через кристалл. Если кристалл выходит из строя, цепь больше не будет колебаться.

Итак, откуда берется «емкость нагрузки», которая определяет частоту генератора? Эта схема фактически использует одиночный инвертор с двумя конденсаторами в цепи обратной связи, которая охватывает емкость нагрузки. Если емкость нагрузки изменится, то изменится и частота, создаваемая генератором.

При этом важно отметить, что этот тип схемы не идеален для простой регулировки частоты, если требуется регулировка.Кроме того, требуется точный контроль частоты и точное определение емкости нагрузки.

Например, если кристалл 20 МГц с емкостью 20 пФ поместить в цепь с оценкой 30 пФ, кристалл будет ниже указанного значения. Однако, если схема имеет оценку всего 10 пФ, частота будет выше указанного значения.

4. Уровень движения

Уровень возбуждения — это количество энергии, потребляемой кристаллом во время работы.Мощность обычно описывается в милливаттах или микроваттах.

Кристаллы кварца соответствуют определенному максимальному значению уровня возбуждения, которое может влиять на частоту и режим работы генератора. Важно работать с поставщиком кварцевого генератора, чтобы определить максимальный уровень возбуждения, который может поддерживать кварцевый генератор.

Так что же произойдет, если кварцевый генератор превысит максимальный уровень возбуждения? Это может привести к тому, что осциллятор будет

.

• стать нестабильным
• Ускорение возрастных ставок
• Причина потери связи или потери времени в критических приложениях

Чтобы рассчитать уровень возбуждения кристалла, используйте это уравнение (в основном просто закон Ома, но для мощности).

Уровень возбуждения = (Irms ² x R)

Irms = измеренный среднеквадратичный ток через кристалл кварца
R = максимальное сопротивление кристалла кварца

Чтобы измерить фактический уровень возбуждения схемы кварцевого генератора, вы можете вставить резистор в схему кварцевого генератора. Затем можно считать падение напряжения на резисторе, чтобы рассчитать ток и рассеиваемую мощность. Конечно, убедитесь, что резистор снят после этого измерения.

5. Частота vs.Режим

Частота кварцевого генератора может быть ограничена физическими размерами. Иногда это может быть длина и ширина для определенных приложений. В других случаях это может быть толщина самого кристалла кварца. Чем тоньше кварцевая пластина, тем выше будет частота. Толщина кварцевой пластины обычно становится слишком тонкой для обработки на уровне около 30 МГц.

Если нужен генератор с частотой выше предельной, можно использовать «основные частоты».Основная частота — это «самая низкая частота, которая создается колебаниями всего объекта, в отличие от гармоник более высокой частоты». Если кристалл имеет основную частоту 10 МГц, он также может колебаться в 3, 5, 7 и т.д. раз больше основной частоты. Следовательно, генератор может колебаться на частотах 30 МГц, 50 МГц, 70 МГц и т. Д. Это обертоны частоты.

Когда необходимо использовать частоту обертона, производитель кристалла должен спроектировать кристалл для работы на желаемой частоте обертона.Никогда не пытайтесь заказать кристалл основной моды, а затем работать с ним на другом желаемом обертоне, потому что процессы производства кристаллов отличаются для кристаллов основной моды и обертона.

Прочтите по теме: Распространенные заблуждения о стабильности частоты осциллятора

6. Рекомендации по проектированию

Для лучшей работы схемы генератора необходимо соблюдать некоторые конструктивные особенности. Всегда рекомендуется избегать параллельных трасс в цепи.Это уменьшит паразитную емкость. Все следы должны быть как можно короче, чтобы предотвратить сцепление. Изолирование компонентов с помощью заземляющих плоскостей также может помочь в этом.

7. Отрицательное сопротивление

Генератор должен быть спроектирован так, чтобы увеличивать «отрицательное сопротивление» для достижения наилучших характеристик. Отрицательное сопротивление также часто называют «допуском на колебания».

Вот 6 простых шагов, которые помогут вам рассчитать отрицательное сопротивление в цепи генератора

1. Временно установить переменный резистор последовательно с кристаллом
2. Установите резистор на минимальное значение (близкое к нулю Ом)
3. Включите генератор и проследите за выходом на осциллографе
4. Начните увеличивать сопротивление в цепи с помощью переменного резистора, постоянно отслеживая сигнал осциллографа.
5. Как только колебания прекратятся, обратите внимание на переменный резистор для определения омического значения
6. Добавьте максимальное значение сопротивления кристалла (указанное поставщиком) к омическому значению, измеренному на этапе 5

Это общее вычисленное значение является «отрицательным сопротивлением» или «допуском на колебания».«Согласно общему практическому правилу, отрицательное сопротивление должно быть минимум в 5 раз больше указанного максимального значения сопротивления кристалла, чтобы быть надежным.

5 Схемы кварцевого генератора с использованием КМОП

Вам нужна схема кварцевого генератора, верно? Вы делаете много схем. Какую частоту и форму волны вы хотите?

Это простая схема кварцевого генератора с использованием 74LS04. Он обеспечивает прямоугольную волну от 1 МГц до 10 МГц. Использование ИС затвора инвертора и управление выходными частотами с кристалла.

Я покажу вам 5 идей схем ниже.

1 # Схема кварцевого генератора с использованием 74LS04

Генераторы или генераторы частоты выдают сигнал в различных формах.

Например, синусоидальная волна, треугольная форма волны и прямоугольная волна. Они генерируют частоты в качестве базового времени. Управлять электронной схемой.

Схема кварцевого генератора, подобная этой, широко используется в цифровых технологиях.

Остальные генераторы будут использовать транзисторы или полевые транзисторы для соединения с сетевой схемой.Они могут использовать несколько частей. Например:

• Резистор и конденсатор в цепи RC-генератора.
• Провода или катушка и конденсаторы представляют собой контур LC-генератора.
• Использование кристалла для соединения с резистором.

Как работает схема кварцевого генератора

Простой кварцевый генератор 1–10 МГц с использованием затвора инвертора

В схеме ниже показан простой генератор, который генерирует прямоугольную волну или импульс постоянного тока.

Они соответствуют кристаллу и двум резисторам.Для работы вместо сетевой схемы RC. Затем посмотрите на эту схему.

• Используйте кристалл от 1 МГц до 10 МГц.
• И резисторы от 1К до 4,7К. Оба резистора R1 и R2 должны иметь одинаковое сопротивление.
• Работа с двумя затворами инвертора в IC1

Они могут генерировать постоянную выходную частоту от 1 МГц до 10 МГц. Это зависит от этого кристалла.

Хотя стабильность этой выходной частоты имеет небольшие дефекты. Из-за его температурных изменений во время работы.Это влияет на емкость кристалла и допуски по частоте.

Но он имеет меньшую ценность. По сравнению с обычными осцилляторами. Это использует сеть RC или LC.

Далее посмотрим на блок питания. В этой схеме используется низкое потребление тока и постоянный источник питания 5 В.

При постоянном напряжении питания 9-12 вольт поступает на регулятор постоянного тока IC2-78L05. Для поддержания постоянного напряжения на выходе. Есть конденсатор C1 и C3, фильтрующий ток для сглаживания.

Связано: 7805 регулятор напряжения IC: распиновка, техническое описание и примеры схем

Затем, C2 вытягивает высокочастотное загрязнение от источника питания на землю.И защитите помехи, которые могут возникнуть в цепи.

Для IC1 могут быть типа LS, HC или HCT.

Как построить

Вы можете легко сделать эту схему на универсальной печатной плате, как показано на рисунке.

Компоновка компонентов этой схемы

Список компонентов

Резисторы ¼W + 5%
R1, R2_1K до 4,7 кОм
Конденсаторы
C1: 10uF_16V, электролитический
C2 Полиэстер
C3: 2.2uF_16V, электролитический
Semiconductor
D1: 1N4001, 1A 50V диод
IC1: 74LS04, инверторный затвор IC
IC2: 78L05, регулятор 5V IC
Прочие
XTAL1: кварцевый генератор между 1MHz и 10MHz
Универсальный генератор PCB

с использованием TTL 74LS04

Мне нравится схема кварцевого генератора TTL. Потому что это хорошо и приятно. Это только статус сигнала «1» и «0». А генератор частоты — схема, которая мне нравится.

Однако при изучении TTL IC., Что является основой цифровой схемы, которую должен изучить каждый.

Хотя может быть сложно с питанием на 5В фиксированное и большое потребление тока. Его можно использовать с очень высокой частотой.

Когда нам нужен высокоточный, он лучше использует кварцевый регулятор частоты.

Это простая и дешевая схема кварцевого генератора, в которой мы используем несколько частей, включая цифровой TTL номер SN7404 или SN74LS04 (пакет содержит шесть инверторов), четыре резистора и кристалл.

Дерево инвертора, затвор смещено в свои линейные области на R1-R4, и кристалл обеспечивает обратную связь.

Колебания могут возникать только на основной частоте кристалла, например, нам нужна частота 2 МГц, мы выбрали кристаллы как 2 МГц.

Выходной сигнал представляет собой прямоугольный осциллятор на 5Volt p-p.

2 #

Схема простого кварцевого генератора TTL

Тестируем их на макетной плате. Мы используем кристалл 3,579545 МГц, а затем с высокой точностью измеряем выходную частоту, отображаемую на светодиодном дисплее.

Однако, если вы думаете, что эта схема вам не подходит.
Вы можете видеть, что схема кварцевого генератора выглядит следующим образом:

Кварцевые часы Схема кварцевого генератора

Мой друг хочет схему генератора импульсов. Это стабильная частота 32,768 кГц с часовым кристаллом. К его цифровому двоичному счетчику CMOS. Так он мне даже говорит низкие цены.

Я думаю, что, возможно, использовал кристалл часов и инверторную CMOS IC IC4069 или IC4049.

Они очень дешевые, и мы можем посмотреть в обычных магазинах электроники.

Читать дальше: Развертка 1 МГц с использованием керамического фильтра 10,7 МГц

На рисунке схемы сначала выдается прямоугольная форма волны, другая часть, я думаю, вы можете их знать, это очень просто. Если вы повысите напряжение источника питания до 12 В, пик выходного напряжения также достигнет 12 В.

Но эта схема не подходит для высоких частот, вам следует использовать ее лучше: кварцевый генератор с использованием TTL

Мой сын получает кварцевый кварцевый кристалл от дешевых кварцевых будильников.

Они еще не долговечны. Но мы можем взять хорошо используемый компонент для повторного использования новых наших проектов.

Внутри дешевого кварцевого будильника есть компонент на плате.

Вот кристалл часов на 32,768 кГц

Он исследовал тестовую форму волны с помощью осциллографа. Это прямоугольный сигнал.

Затем измерьте выходную частоту с помощью наборов частотомеров. Это самый дешевый инструмент.

Частота 32771 Гц или 32,771 кГц.Точность счетчика Низкая. И мы можем регулировать выходную частоту с помощью триммера C1-56pF.

Читайте также: Стандарты частоты калибровки 60 Гц для цифровых часов с использованием схемы кварцевого генератора MM5369

3 # CD4060

Это схема генератора 1 Гц для стандартных цифровых часов, размер частоты 1 Гц или 2 Гц. Его можно использовать в обычной тактовой схеме. Он состоит из IC-4060 и IC-4013 , генератора и счетчика одностороннего действия IC-4060.частоты, определяемой резистором и внешним конденсатором.

В схеме IC 4060 представляет собой генератор стандартной частоты с кварцевым кристаллом. Период настройки с помощью C2 и схемы счетчика в IC 4060 будет составлять всего 2 Гц с разделением на вывод 3. IC-4015 — это стиль TF / F для разделения двух тактовых сигналов с частотой, равной 1 Гц.

4 #

Транзисторный кварцевый осциллятор

Следующая схема, если вы хотите построить линейно нарастающую форму волны с использованием кристалла.Так же мы легко использовали одиночный транзистор 2N3904 или BC548, то есть типа NPN.

Читать далее: Транзисторный кварцевый генератор (низкое напряжение)

Полное напряжение того же уровня источника питания. И вы легко переходите на другую форму волны.

Или, Вы можете увидеть нестабильный мультивибратор Oscillator с контроллером Crystal. Ниже

Ознакомьтесь также с этими статьями:

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

.