docZajrzyj do środka - Sklep WSiP
download 
Reklamacja Transkrypt
Zajrzyj do środka - Sklep WSiP
Autorzy: Augustyn Chwaleba, Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski Projekt ok³adki i strony tytu³owej Joanna Plakiewicz, Roman Kirilenko Rysunki komputerowe Brunon Nowicki Redaktor inicjuj¹cy El¿bieta Faron-Lewandowska Redaktor merytoryczny Irena Puchalska Recenzent dr Wojciech Brejwo Podrêcznik Elektronika jest przeznaczony dla uczniów ambitnych, którzy s¹ zainteresowani elektronik¹ i chc¹ wiedzieæ wiecej. Podrêcznik polecamy równie¿ ambitnym nauczycielom prowadz¹cym zajêcia na wysokim poziomie. ISBN 978-83-02-11567-7 © Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spó³ka Akcyjna Warszawa 2008 Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spó³ka Akcyjna 02-305 Warszawa, Al. Jerozolimskie 136 Adres do korespondencji: 00-965 Warszawa P. poczt. 9 www.wsip.pl Wydanie pierwsze (2008) Ark. druk. 34,0 Sk³ad i ³amanie: Phototext, Warszawa Spis treœci 1. Wstêp ............................................................................................................................. 8 2. Elementy bierne uk³adów elektronicznych ................................................................ 2.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 2.2. Rezystory .............................................................................................................. 2.3. Kondensatory ....................................................................................................... 2.4. Cewki indukcyjne ................................................................................................. 2.5. Elementy piezoelektryczne ................................................................................. 2.6. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne .......................................................... 13 13 13 18 22 25 29 3. Podstawy dzia³ania elementów pó³przewodnikowych .............................................. 3.1. Budowa krystaliczna pó³przewodników ............................................................. 3.2. Model pasmowy ................................................................................................... 3.3. Pó³przewodniki niedomieszkowane (samoistne) .............................................. 3.4. Pó³przewodniki domieszkowane (niesamoistne) .............................................. 3.5. Przep³yw pr¹du w pó³przewodniku domieszkowanym ..................................... 3.6. Szumy w pó³przewodnikach ................................................................................ 3.7. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne .......................................................... 30 30 33 34 35 38 41 42 4. Elementy pó³przewodnikowe uk³adów elektronicznych ........................................... 4.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 4.2. Bezz³¹czowe elementy pó³przewodnikowe ........................................................ 4.2.1. Warystory ................................................................................................... 4.2.2. Termorezystory .......................................................................................... 4.2.3. Elementy galwanomagnetyczne .............................................................. 4.3. Diody pó³przewodnikowe ................................................................................... 4.3.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 4.3.2. W³aœciwoœci z³¹czy PN .............................................................................. 4.3.3. Rodzaje i parametry diod ......................................................................... 4.4. Tranzystory bipolarne .......................................................................................... 4.4.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 4.4.2. Zasada dzia³ania ....................................................................................... 4.4.3. W³aœciwoœci i parametry ........................................................................... 4.5. Tranzystory unipolarne ........................................................................................ 4.5.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 4.5.2. Tranzystory z³¹czowe JFET ..................................................................... 4.5.3. Tranzystory z izolowan¹ bramk¹ MOSFET ........................................... 44 44 44 44 45 49 52 52 53 59 67 67 68 69 79 79 79 84 www.wsip.pl 3 4.6. Pó³przewodnikowe elementy prze³¹czaj¹ce ...................................................... 4.6.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 4.6.2. Tyrystory .................................................................................................... 4.6.3. Inne elementy prze³¹czaj¹ce .................................................................... 4.7. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne ............................................................... 89 89 89 93 95 5. Uk³ady scalone ............................................................................................................. 5.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 5.2. Uk³ady monolityczne ........................................................................................... 5.3. Uk³ady hybrydowe ............................................................................................... 5.4. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne .......................................................... 101 101 104 107 109 6. Elementy optoelektroniczne ........................................................................................ 6.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 6.2. Pó³przewodnikowe detektory promieniowania ................................................. 6.2.1. Wiadomoœci podstawowe ......................................................................... 6.2.2. Fotorezystory ............................................................................................. 6.2.3. Fotodiody ................................................................................................... 6.2.4. Ogniwa fotoelektryczne ........................................................................... 6.2.5. Fototranzystory ......................................................................................... 6.2.6. Fotodetektory scalone .............................................................................. 6.3. Pó³przewodnikowe Ÿród³a promieniowania ...................................................... 6.3.1. Wiadomoœci podstawowe ......................................................................... 6.3.2. Diody elektroluminescencyjne ................................................................ 6.3.3. Lasery pó³przewodnikowe ....................................................................... 6.4. Transoptory ........................................................................................................... 6.5. Wyœwietlacze ........................................................................................................ 6.5.1. Wiadomoœci wstêpne ................................................................................ 6.5.2. Wyœwietlacze ciek³okrystaliczne .............................................................. 6.5.3. Wyœwietlacze plazmowe ........................................................................... 6.5.4. Wyœwietlacze pó³przewodnikowe ............................................................ 6.6. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne .......................................................... 111 111 113 113 114 116 118 120 122 123 123 123 127 128 131 131 131 134 136 138 7. Uk³ady prostownicze .................................................................................................... 7.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 7.2. Prostowniki niesterowane ................................................................................... 7.2.1. Prostowniki z obci¹¿eniem rezystancyjnym ............................................ 7.2.2. Prostowniki z obci¹¿eniem pojemnoœciowym i indukcyjnym ................ 7.3. Prostowniki sterowane ......................................................................................... 7.4. Filtry prostownicze .............................................................................................. 7.5. Powielacze napiêcia ............................................................................................. 7.6. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne .......................................................... 141 141 143 143 146 152 156 159 161 8. Wzmacniacze ................................................................................................................ 8.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 8.2. Charakterystyki i parametry wzmacniaczy ......................................................... 8.3. Sprzê¿enie zwrotne we wzmacniaczach ............................................................. 8.4. Podstawowe uk³ady wzmacniaj¹ce ..................................................................... 8.4.1. Uk³ady pracy tranzystorów we wzmacniaczach ...................................... 8.4.2. W³aœciwoœci podstawowych uk³adów wzmacniaj¹cych z tranzystorami 8.4.2. bipolarnymi ................................................................................................ 163 163 163 169 175 175 4 176 8.4.3. W³aœciwoœci podstawowych uk³adów wzmacniaj¹cych z tranzystorami 8.4.2. unipolarnymi ............................................................................................. 8.4.4. Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów bipolarnych ........... 8.4.5. Zasilanie i stabilizacja punktu pracy tranzystorów unipolarnych ......... 8.5. Wzmacniacze ró¿nicowe ..................................................................................... 8.6. Wzmacniacze napiêciowe wielostopniowe ........................................................ 8.6.1 Wzmacniacze o sprzê¿eniu pojemnoœciowym ......................................... 8.6.2. Wzmacniacze o sprzê¿eniu bezpoœrednim ............................................. 8.6.3. Wzmacniacze z przetwarzaniem .............................................................. 8.7. Wzmacniacze operacyjne .................................................................................... 8.7.1. W³aœciwoœci i parametry ........................................................................... 8.7.2. Typy i struktura ......................................................................................... 8.7.3. Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych w uk³adach liniowych ......... 8.7.4. Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych w uk³adach nieliniowych .... 8.8. Wzmacniacze mocy .............................................................................................. 8.9. Wzmacniacze selektywne .................................................................................... 8.9.1. Wprowadzenie .......................................................................................... 8.9.2. Wzmacniacze rezonansowe ..................................................................... 8.9.3. Amplifiltry ................................................................................................. 8.10. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne ........................................................ 184 187 195 197 201 201 206 209 213 213 216 217 227 238 245 245 246 251 255 9. Generatory .................................................................................................................... 9.1. Wprowadzenie ..................................................................................................... 9.2. Generatory z rezystancj¹ ujemn¹ ....................................................................... 9.3. Generatory przebiegów sinusoidalnych ze sprzê¿eniem zwrotnym ................ 9.3.1. Wstêp ......................................................................................................... 9.3.2. Generatory LC .......................................................................................... 9.3.3. Generatory RC .......................................................................................... 9.3.4. Generatory piezoelektryczne ................................................................... 9.4. Generatory przebiegów niesinusoidalnych ........................................................ 9.4.1. Wstêp ......................................................................................................... 9.4.2. Generatory przebiegów prostok¹tnych ................................................... 9.4.3. Generatory przebiegów liniowych ........................................................... 9.5. Generatory uniwersalne ...................................................................................... 9.6. Generatory sterowane ......................................................................................... 9.7. Generatory cyfrowe ............................................................................................. 9.8. Pêtla fazowa PLL ................................................................................................. 9.9. Generatory mocy ................................................................................................. 9.10. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne ........................................................ 264 264 266 267 267 268 272 276 277 277 277 284 289 291 294 298 300 301 10. Stabilizatory napiêcia i pr¹du sta³ego ..................................................................... 10.1. Wprowadzenie .................................................................................................. 10.2. Parametry stabilizatorów ................................................................................. 10.3. Stabilizatory parametryczne ............................................................................ 10.4. Stabilizatory kompensacyjne o dzia³aniu ci¹g³ym ......................................... 10.5. Stabilizatory impulsowe ................................................................................... 10.6. Stabilizatory scalone ......................................................................................... 10.7. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne ....................................................... 304 304 304 308 311 318 323 324 11. Uk³ady i urz¹dzenia cyfrowe ..................................................................................... 327 11.1. Wprowadzenie .................................................................................................. 327 www.wsip.pl 5 11.2. Operacje logiczne ............................................................................................. 11.2.1. Pojêcia podstawowe ............................................................................ 11.2.2. Zale¿noœci logiczne wyra¿ane w jêzyku ............................................. 11.2.3. Zale¿noœci logiczne w dzia³aniu urz¹dzeñ technicznych ................. 11.2.4. Podstawy formalne – rachunek zdañ ................................................. 11.2.5. Podstawowe uk³ady realizuj¹ce funkcje logiczne ............................. 11.2.6. Uk³ady kombinacyjne i sekwencyjne ................................................. 11.3. Systemy zapisu liczb. Operacje arytmetyczne ................................................ 11.3.1. Systemy dwójkowe zapisu liczb .......................................................... 11.3.2. Operacje arytmetyczne w dwójkowych systemach zapisu liczb ....... 11.3.2.1. Dodawanie liczb dodatnich ................................................ 11.3.2.2. Odejmowanie liczb dodatnich ............................................ 11.3.2.3. Mno¿enie liczb dodatnich .................................................. 11.3.2.4. Dzielenie liczb dodatnich ................................................... 11.3.2.5. Dodawanie liczb o dowolnym znaku ................................. 11.3.2.6. Odejmowanie liczb o dowolnym znaku. Zmiana znaku ... 11.3.2.7. Mno¿enie i dzielenie liczb o dowolnym znaku ................. 11.3.2.8. Obliczanie funkcji ............................................................... 11.3.2.9. Nadmiar ............................................................................... 11.4. Uk³ady cyfrowo-analogowe ............................................................................. 11.4.1. Sygna³y analogowe i cyfrowe .............................................................. 11.4.2. Analogowe i cyfrowe przetwarzanie informacji ............................... 11.5. Realizacja uk³adów logicznych ........................................................................ 11.5.1. Cechy fizyczne uk³adów logicznych ................................................... 11.5.2. Podstawowe techniki realizacyjne ...................................................... 11.5.2.1. Uk³ady TTL ......................................................................... 11.5.2.2. Uk³ady MOS, CMOS .......................................................... 11.5.2.3. Uk³ady BiCMOS ................................................................. 11.6. Podstawowe uk³ady logiczne ........................................................................... 11.6.1. Elementy kombinacyjne ..................................................................... 11.6.1.1. Bramki .................................................................................. 11.6.1.2. Bramki trójstanowe – magistrale ....................................... 11.6.1.3. Iloczyn galwaniczny ............................................................. 11.6.2. Przerzutniki .......................................................................................... 11.6.2.1. Przerzutnik prosty RS ......................................................... 11.6.2.2. Przerzutniki synchroniczne ................................................ 11.6.3. Elementy pomocnicze ......................................................................... 11.6.3.1. Uk³ady sprzêgaj¹ce wejœciowe ........................................... 11.6.3.2. Uk³ady sprzêgaj¹ce wyjœciowe ............................................ 11.6.3.3. Uk³ady czasowe ................................................................... 11.7. Bloki funkcjonalne ........................................................................................... 11.7.1. Wiadomoœci podstawowe ................................................................... 11.7.2. Rejestry ................................................................................................ 11.7.3. Liczniki ................................................................................................. 11.7.4. Bloki arytmetyczne .............................................................................. 11.7.4.1. Sumator ................................................................................ 11.7.4.2. Komparator cyfrowy ........................................................... 11.7.4.3. Jednostka arytmetyczno-logiczna ...................................... 11.7.5. Uk³ady komutacyjne ........................................................................... 11.7.5.1. Multiplekser ......................................................................... 11.7.5.2. Demultiplekser .................................................................... 6 328 328 329 329 331 332 335 336 336 340 340 342 342 343 344 345 345 345 346 347 347 350 351 351 355 355 357 358 358 358 358 359 360 361 361 363 368 368 370 371 371 371 373 374 377 377 379 380 380 380 382 11.7.5.3. Dekoder ............................................................................... 11.7.5.4. Koder .................................................................................... 11.7.6. Pamiêæ .................................................................................................. 11.7.7. Wspó³praca urz¹dzeñ cyfrowych z urz¹dzeniami analogowymi ...... 11.7.8. Kontrola poprawnoœci przesy³ania informacji .................................. 11.8. Urz¹dzenia cyfrowe .......................................................................................... 11.8.1. Proste uk³ady cyfrowe ......................................................................... 11.8.2. Uk³ady sterowania i procesory ........................................................... 11.8.3. Mikroprocesory. Mikrokomputery .................................................... 11.8.4. Uk³ady cyfrowe programowane ......................................................... 11.8.5. Mikrokomputery jednouk³adowe ...................................................... 11.9. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne ....................................................... 382 382 383 386 387 390 390 391 398 402 404 406 12. Wprowadzenie do elektronicznej techniki pomiarowej .......................................... 12.1. Podstawowe pojêcia metrologii ....................................................................... 12.1.1. Obiekt fizyczny i wielkoœci fizyczne ................................................... 12.1.2. Jednostki miar i uk³ady jednostek miar ............................................ 12.1.3. Urz¹dzenia pomiarowe ....................................................................... 12.1.4. Metody pomiarowe ............................................................................. 12.1.5. B³¹d a niepewnoœæ pomiaru ............................................................... 12.2. Elementy techniki eksperymentu .................................................................... 12.2.1. Planowanie i przeprowadzanie pomiarów ........................................ 12.2.2. Ocena dok³adnoœci pomiaru .............................................................. 12.2.3. Opracowanie wyników pomiarów ...................................................... 12.3. Aparatura pomiarowa ...................................................................................... 12.3.1. Wprowadzenie ..................................................................................... 12.3.2. Analogowe przetworniki do kondycjonowania sygna³ów ................ 12.3.3. Przetworniki cyfrowo-analogowe C/A i analogowo-cyfrowe A/C ... 12.3.4. Woltomierze i multimetry cyfrowe .................................................... 12.3.5. Oscyloskopy ......................................................................................... 12.3.6. Systemy pomiarowe i przyrz¹dy wirtualne ........................................ 12.4. Pomiary i analiza sygna³ów oraz elementów elektronicznych ...................... 12.4.1. Pomiary napiêcia i pr¹du .................................................................... 12.4.2. Pomiary mocy ...................................................................................... 12.4.3. Pomiary czêstotliwoœci, przedzia³u czasu i przesuniêcia fazowego . 12.4.4. Wyznaczanie wielkoœci charakteryzuj¹cych przebiegi impulsowe .. 12.4.5. Zasady analizy widmowej ................................................................... 12.4.6. Pomiary parametrów R, L, C ............................................................. 12.5. Nowoczesne czujniki i przetworniki do pomiaru wybranych wielkoœci 12.5. fizycznych ........................................................................................................... 12.5.1. Wprowadzenie ................................................................................... 12.5.2. Czujniki piezorezystywne .................................................................. 12.5.3. Czujniki piezoelektryczne foliowe ................................................... 12.5.4. Œwiat³owodowe czujniki optoelektroniczne .................................... 12.6. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne ....................................................... 411 411 411 411 412 414 416 419 419 420 423 424 424 429 438 448 454 466 472 472 477 479 486 489 493 501 501 503 506 508 511 13. Zasady bezpiecznego u¿ytkowania i badania urz¹dzeñ elektronicznych ............. 515 Rozwi¹zania do wybranych zadañ ................................................................................... 519 Literatura ........................................................................................................................... 542 www.wsip.pl 9.8. Pêtla fazowa PLL Pêtla fazowa PLL (ang. Phase Locked Loop) jest uk³adem zamkniêtym ze sprzê¿eniem zwrotnym. Jej zadaniem jest synchronizowanie czêstotliwoœci sygna³ów. Pêtla fazowa (rys. 9.33) sk³ada siê z detektora fazy DF (uk³adu porównuj¹cego), filtru dolnoprzepustowego FDP i generatora przestrajanego napiêciem VCO (ang. Voltage Controled Oscilator). Miêdzy wyjœciem filtru a wejœciem generatora VCO czêsto znajduje siê wzmacniacz b³êdu, zaznaczony na rysunku 9.33 lini¹ kreskow¹. Rys. 9.33. Schemat pêtli fazowej PLL Na detektor fazy s¹ podawane dwa napiêcia: wejœciowe uwe o fazie ϕ we = = ω we t = 2 π fwe t i wyjœciowe uwy o fazie ϕ wy = ω wy t = 2 π fwy t Detektor fazy porównuje fazy ϕ we i ϕ wy obu napiêæ, a zatem i czêstotliwoœci f we i f wy. Na jego wyjœciu otrzymuje siê napiêcie ud proporcjonalne do ró¿nicy tych faz. Napiêcie to ma najczêœciej dwie sk³adowe: sumacyjn¹ i ró¿nicow¹. Sk³adowa sumacyjna nie zawiera ¿adnej informacji i jest odfiltrowywana przez filtr dolnoprzepustowy. Filtr dolnoprzepustowy pe³ni równie¿ rolê uk³adu uœredniaj¹cego. Napiêcie wyjœciowe filtru uf, po ewentualnym wzmocnieniu, przestraja generator VCO. Czêstotliwoœæ f wy napiêcia wyjœciowego generatora VCO zmienia siê liniowo przy zmianie napiêcia steruj¹cego tak d³ugo, a¿ bêdzie równa czêstotliwoœci f we napiêcia wejœciowego. Wtedy nastêpuje równie¿ zrównanie faz ϕ we i ϕ wy. W dzia³aniu pêtli fazowej mo¿na wyró¿niæ dwa rodzaje pracy: synchroniczn¹ i asynchroniczn¹. Najczêœciej pêtla fazowa znajduje siê w stanie pracy synchronicznej, omówionym powy¿ej. Praca asynchroniczna wystêpuje w czasie dochodzenia pêtli do synchronizmu. Stan ten mo¿na uwa¿aæ za przejœciowy. Wa¿nym parametrem pêtli PLL jest zakres chwytania synchronizacji f c. Jest on równy maksymalnej ró¿nicy czêstotliwoœci sygna³u wejœciowego i czêstotliwoœci w³asnej generatora VCO, dla której uk³ad mo¿e dojœæ do synchronizmu. Ró¿nica tych czêstotliwoœci, dla której uk³ad mo¿e utrzymaæ synchronizm, nazywa siê zakresem trzymania synchronizacji f t. Czêstotliwoœæ w³asna generatora VCO jest czêstotliwoœci¹, gdy napiêcie u f = 0. Zakres trzymania synchronizacji jest zwykle wiêkszy ni¿ zakres chwytania. Kolejnym istotnym parametrem pêtli PLL jest b³¹d fazy Δϕ definiowany jako ró¿nica fazy ϕ we napiêcia wejœciowego i fazy ϕ wy napiêcia wyjœciowego generatora. B³¹d fazy wynika z zasady dzia³ania pêtli PLL. Wskutek tego b³êdu, przez detektor fazy jest wytworzony sygna³ s³u¿¹cy do przestrojenia generatora VCO pozwalaj¹cy uzyskaæ równoœæ czêstotliwoœci obu sygna³ów. Ró¿nica faz wystêpuje 298 mimo osi¹gniêcia synchronizmu. Zwykle podaje siê b³¹d fazy w stanie ustalonym, nazywany statycznym b³êdem fazy, oraz szybkoœæ narastania b³êdu fazy przy pobudzeniu skokiem jednostkowym fazy lub czêstotliwoœci. Uk³ad PLL jest uk³adem nieliniowym. Nieliniowoœæ wynika przede wszystkim z nieliniowoœci detektora fazy. W³aœciwoœci pêtli PLL zale¿¹ te¿ od rodzaju zastosowanego filtru. Filtr ma znaczny wp³yw m.in. na odpornoœæ na zak³ócenia i szumy. Zdolnoœæ pêtli PLL do t³umienia szumów sygna³u wejœciowego okreœla pasmo szumowe. Obecnie kilkanaœcie firm (m.in. Philips Semiconductor, Motorola, Harris Semiconductor, Analog Devices) produkuje wiele typów uk³adów PLL ró¿ni¹cych siê dok³adnoœci¹, zakresem napiêæ, pasmem czêstotliwoœci oraz cen¹. Wytwarza siê je najczêœciej technik¹ monolityczn¹, rzadziej hybrydow¹. Wyró¿nia siê dwie grupy uk³adów PLL. Uk³ady pierwszej grupy mo¿na nazwaæ dedykowanymi. S¹ przeznaczone do konkretnych zastosowañ telekomunikacyjnych w zakresie du¿ych i wielkich czêstotliwoœci (od kilkunastu megaherców do kilku gigaherców), choæ pracuj¹ poprawnie tak¿e w zakresie ni¿szych czêstotliwoœci. Uk³ady drugiej grupy – uniwersalne, pozwalaj¹ na szersze ich wykorzystanie przy transmisji i przetwarzaniu sygna³ów. Maj¹ one zwykle wê¿sze pasmo czêstotliwoœci (do kilkunastu megaherców). Uk³ady PLL stosuje siê powszechnie w sprzêcie radiowym i telewizyjnym (w tym w odbiornikach satelitarnych), w telefonach, w odtwarzaczach, w monitorach, zegarach i wzorcach czêstotliwoœci, w urz¹dzeniach cyfrowych. Mo¿na je spotkaæ w uk³adach synchronizacji, w uk³adach strojenia, powielaczach i dzielnikach czêstotliwoœci, w generatorach programowanych, w syntezerach i wzorcach czêstotliwoœci, w uk³adach przemiany czêstotliwoœci, w modulatorach i demodulatorach, w dekoderach sygna³ów stereofonicznych, w uk³adach wybierania kana³ów itp. Dwa przyk³ady zastosowania uk³adów PLL przedstawiono na rysunku 9.34. Rys. 9.34. Uk³ady z pêtl¹ PLL: a) demodulatotor czêstotliwoœci; b) syntezer czêstotliwoœci www.wsip.pl 299 W stanie synchronizmu, przy odpowiednim doborze parametrów czêstotliwoœæ generatora VCO nad¹¿a za czêstotliwoœci¹ napiêcia wejœciowego. Mo¿na powiedzieæ wiêc, ¿e generator VCO „powtarza” zmiany czêstotliwoœci napiêcia wejœciowego. Zmiany czêstotliwoœci generatora VCO s¹ wynikiem zmian napiêcia na jego wejœciu, zatem uf = f( fwe). Uk³ad przetwarzaj¹cy zmiany czêstotliwoœci na zmiany napiêcia nazywa siê demodulatorem czêstotliwoœci. Dla uk³adu demodulatora z rysunku 9.34a s³uszna jest zale¿noœæ w której Kg oznacza czu³oœæ generatora VCO. Na rysunku 9.34b pokazano schemat syntezera czêstotliwoœci, czyli uk³adu wytwarzaj¹cego przebiegi o ró¿nych czêstotliwoœciach. W pêtli sprzê¿enia zwrotnego uk³adu PLL znajduje siê dzielnik czêstotliwoœci, najczêœciej cyfrowy. Czêstotliwoœci napiêæ podawanych na detektor fazy wynosz¹ fwe i f wy /N, przy czym N oznacza krotnoœæ podzia³u dzielnika. W stanie synchronizmu czêstotliwoœci te s¹ równe, z czego wynika, ¿e fwy = Nf we (9.47) Czêstotliwoœæ napiêcia wyjœciowego jest zatem N-krotnie wiêksza ni¿ czêstotliwoœæ napiêcia wejœciowego. Dziêki rêcznej lub automatycznej zmianie podzia³u dzielnika czêstotliwoœci mo¿na nastawiaæ czêstotliwoœæ napiêcia wyjœciowego. 9.9. Generatory mocy Generatorów elektronicznych u¿ywa siê czêsto do zasilania odbiorników mocy, np. nagrzewnic wielkiej czêstotliwoœci, przetworników ultradŸwiêkowych. Moc wyjœciowa takich Ÿróde³, nazywanych generatorami mocy, wynosi od kilkudziesiêciu watów do kilkuset kilowatów, a czêstotliwoœæ od 20 Hz do 500 kHz. Istotnymi parametrami generatorów mocy s¹: sprawnoœæ i moc wyjœciowa, natomiast sta³oœæ czêstotliwoœci i zniekszta³cenia napiêcia s¹ drugorzêdne. Generatory drgañ sinusoidalnych ma³ych mocy buduje siê jako kaskadowe po³¹czenie poznanych typów generatorów ze wzmacniaczem mocy. Natomiast w generatorach du¿ych mocy generator jest jednoczeœnie stopniem mocy; w takim przypadku stosuje siê generatory LC zasilane wysokim napiêciem. W generatorach mocy wzmacniacze pracuj¹ zwykle w klasie C, aby osi¹gn¹æ du¿¹ sprawnoœæ. Pracy w klasie C nie uzyskuje siê jednak przez dobór napiêæ polaryzuj¹cych, ale przez automatyczne przesuwanie punktu pracy wzmacniacza do klasy C. Pocz¹tkowo pracuje on w klasie A, a do klasy C dochodzi w miarê wzrostu amplitudy drgañ. W generatorach mocy istotny jest sposób do³¹czenia obci¹¿enia do generatora. Maksymaln¹ sprawnoœæ uzyskuje siê przy dopasowaniu energetycznym. W wielu zastosowaniach przemys³owych obci¹¿enie jest sprzê¿one z obwodem 300 rezonansowym generatora. Ma to miejsce np. przy nagrzewaniu pojemnoœciowym i indukcyjnym. Przy nagrzewaniu pojemnoœciowym stosuje siê sprzê¿enie pojemnoœciowe, a przy nagrzewaniu indukcyjnym – sprzê¿enie indukcyjne. Przy nagrzewaniu indukcyjnym (rys. 9.35) element poddawany obróbce umieszcza siê wewn¹trz specjalnie ukszta³towanej cewki, tzw. wzbudnika sprzê¿onego z obwodem rezonansowym. W metalowym elemencie powstaj¹ pr¹dy wirowe, które nagrzewaj¹ wsad. Czêstotliwoœæ napiêcia (500 Hz÷500 kHz), moc i czas obróbki zale¿¹ od obrabianego przedmiotu i rodzaju obróbki. Rys. 9.35. Schemat uk³adu wyjœciowego generatora mocy s³u¿¹cego do powierzchniowego nagrzewania indukcyjnego Generatory mocy wytwarzaj¹ce przebiegi niesinusoidalne s¹ falownikami. Samowzbudn¹ pracê uk³adu uzyskuje siê przez wprowadzenie dodatniego sprzê¿enia zwrotnego. Jako elementy prze³¹czaj¹ce stosuje siê wy³¹cznie tranzystory lub tyrystory. Moce generatorów tego typu osi¹gaj¹ kilkaset watów i s¹ ograniczone obci¹¿alnoœci¹ tranzystorów lub tyrystorów, a czêstotliwoœæ drgañ wynosi 20÷50 kHz. Falowniki s¹ omawiane w ramach przedmiotu „Energoelektronika”. 9.10. Przyk³adowe pytania i zadania kontrolne 9.1. Omów najwa¿niejsze parametry generatorów. 9.2. Podaj warunki samowzbudzenia i wyjaœnij ich sens fizyczny. 9.3. Wyjaœnij dzia³anie generatora z ujemn¹ rezystancj¹. Narysuj schemat takiego generatora. 9.4. Narysuj schematy generatorów: Meissnera, Hartleya i Colpittsa. Wyjaœnij ich dzia³anie. 9.5. Jak¹ rolê w generatorach LC spe³niaj¹: obwód rezonansowy, element wzmacniaj¹cy, obwód dodatniego sprzê¿enia zwrotnego, Ÿród³o zasilania? 9.6. Przeanalizuj, od czego zale¿y sta³oœæ czêstotliwoœci generatorów LC. 9.7. W generatorze Colpittsa (rys. 9.5c) zastosowano elementy obwodu rezonansowego o wartoœciach L12 = 5 μH, C1 = 3,3 nF, C2 = 6,6 nF. Czêstotliwoœæ napiêcia wyjœciowego wynosi a) 460 kHz, b) 1,2 MHz, c) 4,8 MHz, d) 10 MHz 9.8. W generatorze Hartleya (rys. 9.5b) pojemnoœæ C12 zwiêkszono czterokrotnie. Czêstotliwoœæ drgañ a) wzros³a dwukrotnie; b) zmala³a dwukrotnie; c) wzros³a czterokrotnie; d) zmala³a czterokrotnie. 9.9. Podaj zasady budowy generatorów RC. Rozwa¿ przy tym ró¿ne sposoby w³¹czenia cz³onu selektywnego w obwód sprzê¿enia zwrotnego. www.wsip.pl 301 9.10. Narysuj schemat generatora RC z mostkiem Wiena i omów przeznaczenie poszczególnych elementów. 9.11. W generatorze RC z mostkiem Wiena (rys. 9.7) wartoœci elementów wynosz¹: R1 = R2 = 480 kΩ, R3 = 25 kΩ, R4 = 10 kΩ, C1 = C2 = 330 pF. Czêstotliwoœæ napiêcia wyjœciowego wynosi a) ok. 100 Hz; b) ok. 500 Hz; c) ok. 1 kHz; d) ok. 100 Hz 9.12. Narysuj schematy generatorów RC z mostkiem 2T i z czwórnikiem ³añcuchowym. Wyjaœnij ich dzia³anie. 9.13. Jakie znasz sposoby stabilizacji amplitudy w generatorach RC? 9.14. Przeanalizuj, od czego zale¿y sta³oœæ czêstotliwoœci generatorów RC. 9.15. Porównaj w³aœciwoœci generatorów LC i RC. 9.16. Generatory kwarcowe zapewniaj¹ a) du¿¹ moc wyjœciow¹; b) ma³e zniekszta³cenia sygna³u wyjœciowego; c) du¿¹ sta³oœæ czêstotliwoœci; d) szeroki zakres przestrajania? 9.17. Podaj przyk³ady budowy generatorów kwarcowych. 9.18. Jakie parametry charakteryzuj¹ przebiegi prostok¹tne? 9.19. Narysuj schemat tranzystorowego przerzutnika astabilnego i wyjaœnij jego dzia³anie. Rozwa¿ania zilustruj przebiegami pr¹dów i napiêæ. 9.20. W uk³adzie przerzutnika astabilnego (rys. 9.13) zastosowano elementy o wartoœciach RB1 = RB2 = 400 Ω, RC1 = RC2 = 1 k:, CB1 = CB2 = 0,18 μF, EC = 15 V. Oblicz czêstotliwoœæ napiêcia wyjœciowego i narysuj jego przebieg. Przyjmij UCE sat = 0 V i ICE0 = 0 A. 9.21. W uk³adzie przerzutnika z poprzedniego zadania wartoœæ pojemnoœci kondensatora CB1 zwiêkszono czterokrotnie, pozostawiaj¹c pozosta³e elementy bez zmian. Oblicz now¹ wartoœæ czêstotliwoœci napiêcia wyjœciowego i narysuj jego przebieg. Porównaj otrzymane wyniki z wynikami poprzedniego zadania. 9.22. Omów synchronizacjê przerzutników astabilnych. 9.23. Wyjaœnij dzia³anie uniwibratora w uk³adzie Schmitta. 9.24. Podaj przyk³ady wykorzystania wzmacniaczy operacyjnych do budowy przerzutników astabilnych i uniwibratorów. 9.25. 9.26. 9.27. 9.28. Podaj zasady dzia³ania i budowy generatorów przebiegów liniowych. Narysuj i omów wybrany uk³ad generatora przebiegów liniowych. Omów budowê, dzia³anie, przeznaczenie i parametry generatora funkcyjnego. Na rysunku przedstawiono uproszczony schemat generatora. Napiêcie wyjœciowe tego generatora ma kszta³t a) prostok¹tny; b) trójk¹tny; c) sinusoidalny; d) pi³okszta³tny? 9.29. W jaki sposób mo¿na zmieniaæ czêstotliwoœæ generatorów LC? Podaj przyk³ad sterowanego generatora LC. Rys. do zadania 9.28 302 9.30. W jaki sposób mo¿na zmieniaæ czêstotliwoœæ generatorów drgañ prostok¹tnych? Podaj przyk³ad sterowanego generatora drgañ prostok¹tnych. 9.31. Wyjaœnij zasadê dzia³ania przetworników ca³kuj¹cych napiêcie–czêstotliwoœæ. Podaj przyk³ady takich przetworników. 9.32. Wyjaœnij zasadê dzia³ania generatora cyfrowego. 9.33. W generatorze cyfrowym przedstawionym na rysunku 9.32 zastosowano zegar o czêstotliwoœci f p = 10 MHz i rejestr o d³ugoœci n = 10. Nastawiono s³owo przestrajaj¹ce odpowiadaj¹ce liczbie 4. Czêstotliwoœæ generatora wyniesie a) ok. 10 kHz; b) ok. 40 kHz; c) ok. 100 kHz d); ok. 400 kHz? 9.34. Wyjaœnij zasadê dzia³ania pêtli fazowej PLL. Jakie s¹ najwa¿niejsze parametry pêtli? 9.35. Podaj przyk³ady zastosowania pêtli PLL. 9.36. Jakie s¹ cechy charakterystyczne generatorów mocy? Jakie znasz zasady budowy generatorów tego typu? www.wsip.pl
