CS213779B1 - Nízkofrekvenční sinusový oscilátor s rezonančním okruhem - Google Patents

Abstract

Vynález se týká nízkofrekvenčního sinusového oscilátoru s rezonančním okruhem se samočinnou regulací buzení a málo kolísajícím výstupním napětím i zkreslením, osazeného v jednočinném zapojení podle obr. 1 jedním a v dvojčinném zapojení podle obr. 2 dvěma křemíkovými tranzistory. Zesílení výkonu je umožněno paralelním propojením více stejných tranzistorů. Vynález řeěí požadavek jednoduchými prostředky navrhnout takový nízkofrekvenční sinusový oscilátor, jenž by se vyznačoval při proměnlivém zatížení pokud možno malými změnami zakreslení a výstupního nšpětí. Dalším požadavkem je, aby oscilátor samočinně odebíral takový proud, jaký je potřebný pro okamžité zatížení. Rovněž i při velkém poklesu napájecího napětí má oscilátor správně pracovat. Působením rezonančního okruhu složeného z indukčnosti a kapacity vzniká za určitých podmínek deformace kolektorového proudu tranzistoru. Využitím této deformace, jiných známých vlastností tranzistoru a kombinace jeho proudového i napěťového buzení se vytvoří na průběhu proudu báze velké špičky. Těchto skutečností se využívá spolu s dalšími vlastnostmi ostatních obvodů oscilátoru k samočinné regulaci buzení.

Description

Vynález se týká nízkofrekvenčního sinusového oscilátoru s rezonančním okruhem se samočinnou regulací buzení a málo kolísajícím výstupním napětím i zkreslením, zejména při použití křemíkových tranzistorů v zapojení jeho obvodu.

Uvedené vlastnosti vykazují nízkofrekvenční sinusové oscilátory při různých režimech své činnosti, jako například při změnách zatížení.

Nízkofrekvenční sinusové oscilátory se používají všeobecně v široké oblasti elektrotechniky, převážně slaboproudé. V měřicí technice jsou například zdrojem signálů sinusového napětí pro můstky na měření indukčností.a kapacit, pro tenzometrické můstky, pro nejrůznější druhy snímačů atd.

Mezi základní požadavky, jež jsou na nízkofrekvenční sinusové oscilátory kladeny, patří především malé zkresleni sinusových signálů a jejich stabilita. Pro stabilizaci signálů těchto oscilátorů se dosud nejčastěji využívá nelineárnosti zesilovačů, nebo se používají tranzistory ve funkci spínačů. 7 jiném případě se využívá kombinaoe detekoe v bázi a v kolektoru tranzistoru, nebo je regulační obvod tvořen jednou či dvěma diodami, praxi se často stává, že v určitém rozmezí zatížení nízkofrekvenčního sinusového oscilátoru je velikost výstupního signálu celkem stálá, ale zhoršuje se zkreslení průběhu sinusového napětí. Zároveň proudy, odebírané z napájecích zdrojů, se zpravidla v celém rozsahu zatížení mění jen málo. To všechno je způsobeno hlavně tím, že používané způsoby stabilizace neřeší samočinnou regulaci buzení příslušných oscilátorů.

Uvedené nevýhody odstraňuje nízkofrekvenční oscilátor s rezonančním okruhem se stabi' Ol· lizaci výstupního napětí podle vynálezu, u něhož mezi jednu svorku napětí napájecího zdroje a kolektor tranzistoru je zapojen rezonanční okruh, sestávající z indukčností, představující primární vinutí transformátoru, a z kondenzátoru, a u něhož zpětnovazební vinutí transformátoru je zapojeno do obvodu báze tranzistoru, přičemž výstupní vinutí transformátoru je připojeno na zátěž.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že druhá svorka napětí napájecího zdroje je jednak připojena na emitor nejméně jednoho tranzistoru přes jemu příslušný odpor a jemu příslušnou tlumivku, jednak na bázi tohoto tranzistoru přes jemu příslušný kondenzátor a jednak přes čtvrtý kondenzátor a čtvrtý odpor na první svorku napětí napájecího zdroje, který je spojen přes sedmý kondenzátor s druhou svorkou napětí napájecího zdroje, přičemž zpětnovazební vinutí jemu příslušného transformátoru je svým jedním koncem připojeno na spojnici čtvrtého kondenzátoru a čtvrtého odporu a svým druhým konoem na bázi tohoto tranzistoru, alternativách provedení vynálezu lze nízkofrekvenční sinusový oscilátor provést v jednočinném nebo dvojčinném zapojení a v obou případeoh i s užitím více stejných paralelně zapojených tranzistorů.

7ýhodou je, že v celém rozsahu zatížení nízkofrekvenčního sinusového oscilátoru, to jest od maximálního až do chodu naprázdno, se samočinně udržuje správné buzení, takže zkreslení sinusového průběhu napětí se v tomto rozsahu příliš nemění. Současně se v určitém rozmezí stabilizuje i velikost výstupního napětí. Proud, odebíraný z napájecího zdroje, se nastavuje samočinně podle okamžitého zatížení. Tvar křivky proudu kolektoru se s odlehčením sice zhoršuje, ale současně se zvyšuje činitel jakosti zatíženého rezonančního okruhu

213 779 tohoto oscilátoru, čímž se vyšší harmonické kmity lépe odfiltrují, takže dochází k určité kompenzaci. Oscilátor podle vynálezu správně funguje také v širokém rozmezí napětí napájecího zdroje. Účinky vynálezu se zesilují u dvojčinného zapojení, které je sice složitější, ale dosahují se g ním zpravidla lepší parametry i při menších rozměrech transformátoru.

Příklad provedení vynálezu je znázorněn na připojených výkresech, kde představuje obr. 1 jednočinné zapojení nízkofrekvenčního sinusového oscilátoru, obr. 2 dvojčinné zapojení nízkofrekvenčního sinusového oscilátoru, obr. 3 graficky vyjádřené průběhy napětí a proudů v obvodech kolektorů tranzistorů a obr. 4 v obvodech bází tranzistorů.

Nízkofrekvenční sinusový oscilátor v jednočinném zapojení podle obr. 1 má druhou svorku napětí napájecího zdroje připojenu jednak na první emitor e^ prvního tranzistoru

T.j přes první odpor a první tlumivku tip jednak na první bázi b., prvního tranzistoru T₁ přes první kondenzátor Cp a jednak přes čtvrtý kondenzátor 0^ a čtvrtý odpor R^ na první svorku ^Ukaťl napětí napájecího zdroje, který je spojen přes sedmý kondenzátor C? s druhou svorkou ^_a-(;2’ přvní zpětnovazební vinutí Lg prvního transformátoru Tr^ je svým jedním koncem připojeno na spojnici čtvrtého kondenzátoru C^ a čtvrtého odporu R^ a svým druhým koncem na první bázi b^ prvního tranzistoru lp přičemž při použití více prvních tranzistorů T^ jsou jejioh sobě příslušné první kolektory kp první báze b^ a první emitory paralelně propojeny.

Nízkofrekvenční sinusový oscilátor v dvojčinném zapojení podle obr. 2 má připojenu druhou svorku napětí U^_a^₂ jednak na druhý emitor e₂ druhého tranzistoru Tg přes druhý odpor Rg a druhou tlumivku tl₂, a na třetí emitor e^ třetího tranzistoru Tj přes třetí odpor Rj a třetí tlumivku tlj, jednak na druhou bázi bg druhého tranzistoru Tg a druhý kondenzátor Cg, a na třetí bázi bj třetího tranzistoru Tj přes třetí kondenzátor Cj, a jed nak přes čtvrtý kondenzátor C^ a čtvrtý odpor R^ na první svorku napětí napájecího zdroje, který je spojen přes sedmý kondenzátor Cy s druhou svorkou 0^2» Přičemž druhé zpětnovazební vinutí L₁₂ druhého transformátoru Trp je svým druhým koncem připojeno na druhou bázi bg druhého tranzistoru Tg ^{a sv}ý® koncem na spojnici čtvrtého kondenzátoru a čtvrtého odporu R^ společně s jedním koncem třetího zpětnovazebního vinutí Lp druhého transformátoru Trp, které je svým druhým koncem připojeno na třetí bázi bj třetího tranzistoru Tj, přičemž při použití více druhých tranzistorů Tg a více třetích tranzistorů T^ je jejioh počet v obou případech stejný a jejich sobě příslušné vícenásobné druhé kolektory kg a třetí kolektory k^, druhé báze bg a třetí báze b^, a druhé emitory eg a tře tí emitory Bj jsou paralelně propojeny.

Na obr. 3 jsou nad osou x a vpravo od osy y, kteréžto osy x, y se protínají v počátku M, znázorněny výstupní charakteristiky prvního tranzistoru Tp druhého tranzistoru Tg a třetího tranzistoru T^. Každá křivka výstupní charakteristiky vycházející z počátku M platí pro konstantní proud první báze , pro konstantní proud I_h2 druhé báze bg a pro konstantní proud 1^ třetí báze b^. Do těchto výstupních charakteristik jsou zakresleny pracovní přímky A-B a A-C, platící pro stav zatížení.-Plnou čárou je znázorněn příslušný časový průběh napětí U_ke1 mezi prvním kolektorem kp a prvním emitorem napětí U_ke2 mezi druhým kolektorem kg a druhým emitorem e₂, a napětí ^uke3 “^{ezi třetíta kolektorem} ϊχ ^β

213 779 třetím emitorem e^ pod osou x, a odpovídající časový průběh proudu prvního kolektoru k^ proudu druhého kolektoru kg, a proudu 1^ třetího kolektoru kg vlevo od osy y. Směrem vlevo a dolů od počátku M (respektive N u obr. 4) se na osy x, y (respektive na osy u, v u obr. 4) nanáší čas £. Pracovní přímky D-E a D-F platí pro stav odlehčení a všechny tomu příslušné průběhy napětí U_fce1, U^g a a proudu 1^, I^g a 1^ jsou nakresleny čárkovanou čárou.

Na obr. 4 je nad osou u a vpravo od osy y nakreslena vstupní charakteristika prvního tranzistoru Tp druhého tranzistoru Tg a třetího tranzistoru Tg, jejíž část, představená úsekem křivky N-G se využívá při zatížení. Příslušný průběh napětí mezi první bází b₁ a prvním emitorem e^ napětí U^gmezl druhou bází bg a druhým emitorem e₂, a napětí Ufr_eg mezi třetí bázi bg a třetím emitorem eg je pod osou u a odpovídající průběh proudu hi první báze bp proudu I^g druhé báze bg, a proudu 1^ třetí báze bg je znázorněn vlevo od osy v plnou čárou. Delší část charakteristiky, představované úsekem křivky N-G-H, potom platí pro odlehčený stav, a příslušné průběhy napětí U^p U_be2 a U^g a proudů I^p I^g ^a jsou nakresleny čárkovanou čárou.

Nízkofrekvenční sinusový oscilátor v jednočinném zapojení podle obr. 1 pracuje následovně za předpokladu, že první transformátor Tr^ má vhodnou velikost, jeho první rezonanční okruh ROp sestávající z prvního primárního vinutí a pátého kondenzátoru Cg, má potřebný činitel jakosti při zatížení, a první primární vinutí L₁ a první zpětnovazební vinutí Lg, a první výstupní vinutí L^ jsou správně navržena. Z konstrukčních důvodů bývá první rezonanční okruh RO^ zapojen do obvodu jen částí prvního primárního vinutí Lp Je-li to výhodné, může být vytvořen alternativní první rezonanční okruh ROp prvním výstupním vinutím a šestým kondenzátorem Cg, jehož zapojení je naznačeno čárkovaně. Z hlediska většího výkonu může být místo jednoho prvního tranzistoru T^ zapojeno paralelně i více stejných prvních tranzistorů Tp Ostatní součásti musí mít rovněž správné hodnoty včetně zatěžovacího odporu Rg, představujícího jmenovité zatížení. Dále se předpokládá, že oscilátor podle vynálezu pracuje v takovém režimu, kdy proud ná tvar celé sinusovky s mírným omezením na jejích vrcholech. To je stav tak zvaného mírného přebuzení. Vlivem působení prvního rezonančního okruhu RO.j, který při proudovém buzení udržuje sinusové napětí, dochází na horním vrcholu v oblasti saturace k mírnému poklesu proudu Ijp podle obr. 3, kde jsou znázorněny plnými čárami průběh napětí D^p U^g a U^g, což je vlastně průběh na příslušné části prvního primárního vinutí Lp a průběh proudu I^p I_k2 a I^g s pracovními přímkami A-B a A-C. V obvodu prvního emitoru e^ je kromě první tlumivky tl₁ zapojen první odpor Rp na němž se vytvoří průchodem proudu I_e1 prvního emitoru e₁ i shodný průběh napětí. Průběh prou· du I_e^ prvního emitoru e^ se rovná přibližně průběhu proudu prvního kolektoru k^ a obdobně tak průběhy proudu I_e2 druhého emitoru e₂ a proudu I_g3 třetího emitoru e^ se rovnají přibližně průběhům proudů I^g a I^g.

Průběhem stejnosměrné složky proudu 1·^ první báze b^ vzniká na čtvrtém odporu R^ ubytek napětí, který se odečítá od napětí napájeoího zdroje a rozdíl se ustálí na čtvrtém kondenzátoru 0^. Toto napětí je vlastně stejnosměrným předpětím, jež se sčítá se sinusovým napětím prvního zpětnovazebního vinutí Lg. První kondenzátor C. a první tlumivka tl^ zabra213 779 nují pouze vzniku parazitních oscilací. Vlivem záporné zpětné vazby, zavedené prvním odporem R.j do prvního emitoru , je po většinu doby jednoho cyklu první tranzistor T₁ buzen proudově. Následkem toho má proud I_b1 první báze b₁ stejně jako proud 1^ prvního kolektoru k^ po tuto dobu zhruba sinusový průběh. Zmíněná úvaha však neplatí pro časový interval, kdy proud nemůže už vzrůstat. V tom okamžiku přestává působit záporná zpětná vazba a první tranzistor T₁ je buzen napěíovš. Vzhledem k tomu, že napětí na prvním odporu R^ se přávě v tomto časovém intervalu t^ podle obr. 3 poněkud zmenšilo, působí na první tranzistor T.j o něco větší napětí. Jelikož vstupní charakteristika křemíkového prvního tranzistoru T.) je silně nelineární, stačí jen mírně zvětšené napětí k tomu, aby se na průběhu proudu I_b1 první báze b₁ vytvořila značná špička podle obr. 4, kde jsou znázorněny plnými čarami průběh napětí %_eg a Ug_eg a průběh proudů 1^, I^g a s částí křivky N-G vstupní charakteristiky prvního tranzistoru T^. Tato špička nemůže mít žádný vliv na průběh proudu prvního kolektoru k^. Zato se však využívá střední hodnoty proudu k získávání samočinného předpětí.

Jestliže se nyní oscilátor v jednočinném zapojení podle obr. 1 odlehčí, zvýší se především napětí na prvním rezonančním okruhu RO^ a následkem toho se zvětší deformace také na horním vrcholu křivky proudu Tím se špička na průběhu proudu 1^ zvětší. Rovněž se zvětší úbytek napětí na čtvrtém odporu R^, a na čtvrtém kondenzátoru se ustálí menší předpětí. Pracovní bod prvního tranzistoru T^ se posune a střední hodnota proudu 1^ se zmenší, jak je znázorněno čárkovaně v obr. 3 přímkami D-E a D-P pro průběh napětí ϋ^_β1, ^Uke2 ^{a U}ke3 ^{a pro} P¹^®*¹ Proudů , I^g a 1^, a v obr. 4 křivkou N-G-H pro průběh napětí ^be1 * ^Ube2 ^{a U}be3 ^{a pro} P^běh proudů , I^g a 1^. Tím se samočinně zmenší napětí na prvním rezonančním okruhu RO^ a tedy i na prvním výstupním vinutí L^.

Ustálený stav nastane, jakmile střední hodnota proudu Ij_c1 postačí krýt užitečný výkon i veškeré ztráty a to při mírném přebuzení oscilátoru, jež souvisí s počátečním nastavením. Časová konstanta tohoto přechodného děje je dána hlavně hodnotami čtvrtého odporu R^ a čtvrtého kondenzátoru C^.

Proud prvního kolektoru k^ může mít v jednotlivých případech při jmenovité zátěži též tvar sinusovky buď dole víoe seříznuté, nebo pouze její horní poloviny, případně jen části horní poloviny, ale ve všech případech s deformací na horním vrcholu.

Nízkofrekvenční sinusový oscilátor ve dvojčinném zapojení podle obr. 2 pracuje následovně. Použitý druhý transformátor Tr^, opět s patřičnými parametry, je opatřen druhým primárním vinutím L^, druhým zpětnovazebním vinutím L^g, třetím zpětnovazebním vinutím a druhým výstupním vinutím L^. Je-li to výhodné, může být druhý rezonanční okruh ROg, sestávajícího Z primárního vinutí a osmého kondenzátoru C^, zase nahrazen alternativním druhým rezonančním okruhem R0₂₂, sestávajícím z druhého výstupního vinutí ia a devátého kondenzátoru O^g. Místo jednoho druhého tranzistoru Tg a jednoho třetího tranzistoru T^ může být paralelně zapojen stejný počet víoe stejných druhých tranzistorů Tg a třetích tranzistorů T^. Předpokládá se, že všeohny ostatní součásti obvodu mají správné hodnoty a že zatěžovaeí odpor Rg představuje jmenovitou zátěž. Oscilátor pracuje ve stejném režimu jako v jednočinném zapojení, to znamená, že oba proudy Ík2 ^a ^k£ mají tvar přibližně celé si5

Í13 779 nusovky, ale jsou o 1/2 cyklu vzájemně posunuty, a jejich účinek se sčítá. Průběh napětí na druhém odporu Rg s deformací na horním vrcholu je zase o 1/2 oyklu posunut vůči stejnému průběhu na třetím odporu R^. Stejnosměrné předpětí je jen jedno, vzniká stejným způsobem jako u jednočinného zapojení a sčítá se s napětími druhého zpětnovazebního vinutí L^g a třetího zpětnovazebního vinutí íu- Druhý kondenzátor Cg a třetí kondenzátor a druhá tlumivka tlg a třetí tlumivka tl^ brání vzniku parazitních oscilací. Vlastní buzení probíhá principiálně stejně, shodné průběhy proudů I^g a 1^ jsou jen o 1/2 oyklu vzájemně posunuty. Při odlehčení se zvětší deformace na horních vrcholech obou proudů X^g a 1^3 a tím se zvětší i špičky obou průběhů proudů I^g a 1^. Zvětší se úbytek napětí na společném čtvrtém kondenzátoru 0^ se ustálí společné menší předpětí. Pracovní body druhého tranzistoru Tg a třetího tranzistoru T^ se posunou a jejioh střední hodnoty proudů I^g a se zmenší. Tím se také zmenší napětí na společném druhém rezonančním okruhu ROg a na druhém výstupním vinutí br Ustálený stav nastane za stejných podmínek, jako u jednočinného zapojení.

Proudy I^g a 1^ ve tvaru celé sinusovky se však u dvojčinných zapojení zpravidla nepoužívají. Výhodnější jsou totiž tvary buS horní poloviny sinusovky nebo jen části její horní poloviny, vždy s deformacemi na horních vrcholech. V těchto případech mohou být druhý emitor e_g a třetí emitor e^ spojeny, druhá tlumivka tlg a třetí tlumivka tl^ nahrazeny jednou tlumivkou a druhý odpor Rg a třetí odpor R^ nahrazeny jen jedním odporem.

Nízkofrekvenční sinusové oscilátory podle vynálezu mají širokou oblast uplatnění v měřicí technice, v regulační, nahrávací, zvukové, modulační a vysílací technice, v telefonii.

Claims (3)

1. Nízkofrekvenční sinusový oscilátor s rezonančním okruhem se stabilizací výstupního napětí, u něhož mezi jednu svorku napětí napájecího zdroje ó kolektor tranzistoru je zapojen rezonanční okruh, sestávající z indukčnosti, představující primární vinutí transformátoru, a z kondenzátoru, a u něhož zpětnovazební vinutí transformátoru je zapojeno do obvodu báze tranzistoru, přičemž výstupní vinutí transformátoru je připojeno na zátěž, vyznačený tím, že druhá svorka (U^_a^.g) napětí napájecího zdroje je jednak připojena na emitor nejméně jednoho tranzistoru.přes jemu příslušný odpor a jemu příslušnou tlumivku, jednak ňa bázi tohoto tranzistoru přes jemu příslušný kondenzátor, a jednak přes čtvrtý kondenzátor (C^) a čtvrtý odpor (R^) na první svorku napětí napájecího zdroje, který je spojen přes sedmý kondenzátor (Ογ) s druhou svorkou napětí napájecího zdroje, přičemž zpětnovazební vinutí jemu příslušného transformátoru je svým jedním koncem připojeno na spojnici čtvrtého kondenzátoru (C^) a čtvrtého odporu (R^) a svým druhým koncem na bázi tohoto tranzistoru.

2. Nízkofrekvenční sinusový oscilátor podle bodu 1, vyznačený tím, že u jednočinného zapojení je druhá svorka napětí napájecího zdroje připojena na první emitor (e^ prvního tranzistoru (T^) přes první odpor (R^) a první tlumivku (tl^), a na první bázi (b^) $$

213779 ' prvního tranzistoru (Tp přes první kondenzátor (C₁), zatímco první zpětnovazební vinutí (Lg) prvního transformátoru (Trp je svým jedním koncem připojeno na spojnici čtvrtého kon denzátoru (Cp a čtvrtého odporu (Rp a svým druhým koncem na první bázi (bp prvního tran zistoru (Tp, přičemž při použití více prvních tranzistorů (Tp jsou jejich sobě příslušné první kolektory (kp, první báze (bp a první emitory (ep paralelně propojeny.

3. Nízkofrekvenční sinusový oscilátor podle bodu 1, vyznačený tím, že u dvojčinného zapojení je druhá svorka ^pětí napájecího zdroje jednak připojena na druhý emitor (e₂) druhého tranzistoru (T₂) přes druhý odpor (Rg) a druhou tlumivku (tl₂), a na třetí emitor (ep třetího tranzistoru (Tp přes třetí odpor (Rp a třetí tlumivku (tip, a jednak na druhou bázi (bg) druhého tranzistoru (Tg) přes druhý kondenzátor (Cg), a na třetí bázi (bp třetího tranzistoru (Tp přes třetí kondenzátor (cp, přičemž druhé zpětnovazební vinutí (Ι»₁₂) druhého transformátoru (Tr^₁) je svým druhým koncem připojeno na druhou bá zi (bg) druhého tranzistoru (Tg) a svým jedním koncem na spojnici čtvrtého kondenzátorú (cp a čtvrtého odporu (Rp společně s jedním koncem třetího zpětnovazebního vinutí (L^) druhého transformátoru (Tr^), které je svým druhým koncem připojeno na třetí bázi (bp třetího tranzistoru (Tp, přičemž při použití více druhých tranzistorů (Tg) a více třetích tranzistorů (Tp je jejich počet v obou případech stejný a jejich sobe příslušné vícenásob né druhé kolektory (kg) a třetí kolektory (kp, druhé báze (bg) a třetí báze (bp, a druhé emitory (e₂) a třetí emitory (ep jsou paralelně propojeny.