Релаксационный генератор
Принцип работы релаксационного генератора основан на поведении физической системы, возвращающейся к равновесию после того, как оно нарушится. То есть, динамическая система в виде генератора, непрерывно рассеивает свою внутреннюю энергию. Обычно система возвращается к своему естественному равновесию, однако, каждый раз, когда она достигает некоторого порога, находящегося достаточно близко к равновесному состоянию, механизм работы сообщает ей дополнительную энергию. Таким образом, поведение генератора характеризуется длительными периодами рассеивания энергии, со следующими за ними короткими импульсами. Период колебаний зависит от времени, который необходим системе, что бы успокоится после нахождения в возмущённом состоянии до порога, при котором произойдёт следующее возмущение.
Реализация
Многие электронные релаксационные генераторы запасают энергию в конденсаторе, а затем периодически рассеивают эту энергию, в результате чего возникают колебания. Например, конденсатор может заряжаться до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет некоторого порогового напряжения, достаточно близкого к напряжению питания. В этот момент конденсатор может быть быстро разряжен (например, короткозамкнут). Кроме того, каждый раз, когда конденсатор достигает порога, напряжение заряжающего источника может быть переключено из положительного в отрицательное, или наоборот. Во всех таких ёмкостных релаксационных генераторах период колебаний зависит от скорости разряда конденсатора. Реализации этих двух типов релаксационных генераторов будет рассмотрена далее, но релаксационные генераторы не обязательно могут быть электронными. Любой генератор, колебания которого приводятся в действие системой, которая почти всегда рассеивает энергию можно назвать релаксационным генератором.
Релаксационный генератор Пирсона-Ансона
Этот генератор может быть реализован с ёмкостной или резистивно-ёмкостной интегрирующей цепью, запитанной от источника постоянного тока или напряжения, и пороговым устройством с гистерезисом (неоновая лампа, тиратрон, динистор или однопереходный транзистор), подключённых параллельно с конденсатором. Конденсатор заряжается от источника напряжения, что вызывает рост напряжения на нём. Пороговое устройство не проводит ток до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигает порога переключения. Как только порог переключения достигнут, проводимость порогового устройства возрастает лавинообразно из-за присущей положительной обратной связи, в результате чего быстро разряжается конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе падает до некоторого нижнего порога, устройство прекращает проводить ток и конденсатор начинает заряжаться вновь, и далее цикл повторяется до бесконечности.
Рис.1. Типичная схема релаксационного генератора Пирсона-Ансона
Если пороговым элементом является неоновая лампа, то схема также даёт вспышки света с каждым разрядом конденсатора. Пример с неоновой лампой изображён на рисунке 1 в классической схеме, описывающей эффект Пирсона-Ансона. Продолжительность времени разрядки может быть увеличена путём подключения дополнительного резистора последовательно с пороговым элементом. Два резистора образуют делитель напряжения, так что дополнительный резистор должен иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы неоновая лампа могла достичь нижнего порога переключения.
Когда в качестве триггера используется неоновая лампа или тиратрон, то часто последовательно с ними в схему добавляют второй резистор номиналом от десятков до сотен Ом для ограничения тока разряда конденсатора. Это предотвращает распыление покрытия электродов неоновых ламп и предохраняет тиратроны от повреждений в результате прохождения большого тока через электроды.
Альтернативная реализация генератора с помощью 555 таймера (КР1006ВИ1)
Аналогичный релаксационный генератор может быть построен с помощью 555 таймера (работающего в астабильном режиме), используемого вместо неоновой лампы, описанной выше. То есть, когда конденсатор заряжается до определённого значения, компаратор в 555 таймере переключается, чтобы активировать транзисторный ключ, который разряжает конденсатор через резистор на землю. Очень быстро напряжение на конденсаторе падает до достаточно низкого значения, и далее ключ закрывается, чтобы дать конденсатору зарядиться снова.
Рис.2. Внутренняя структура 555 таймера
Рис.3. Включение 555 таймера в астабильном режиме. Частота на выходе: F=1/(0.7*C*(R1+2R2))
Релаксационный генератор на основе компаратора
Каждый раз, когда напряжение на конденсаторе достигает одного из порогов, напряжение, подаваемое на конденсатор может быть переключёно из положительного в отрицательное или наоборот. Этот вариант показан на рисунке 4, в виде релаксационного генератора на основе компаратора.
Рис.4. Релаксационный генератор на основе компаратора
Это релаксационный генератор является генератором с гистерезисом, названный так из-за наличия гистерезиса, создаваемого положительной обратной связью, реализован на компараторе. Схема, в которой реализуется эта форма гистерезисного переключения, известна как триггер Шмитта. Сам по себе триггер является бистабильным мультивибратором. Однако отрицательная обратная связь, добавленная к триггеру с помощью RC цепи вынуждает схему работать автоматически. То есть, добавление RC цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в астабильный мультивибратор.
Общая концепция
Система находится в неустойчивом равновесии, если входы и выходы компаратора находятся при напряжении около нуля. Появление какого-либо шума, будь то тепловой или электромагнитный, устанавливает на выходе компаратора некоторое положительное напряжение (так же возможно установление на выходе компаратора отрицательного напряжения), положительная обратная связь доводит напряжение на выходе компаратора до напряжения насыщения.
Другими словами, из-за того, что на выходе компаратора теперь положительное напряжение, неинвертирующий вход компаратора так же будет находиться при положительном напряжении, и напряжение на нём будет продолжать увеличиваться по мере увеличения выходного напряжения, поступающего на вход через делитель. Через некоторое время выход компаратора достигнет максимально возможного положительного напряжения, т.е. войдёт в насыщение.
Инвертирующие вход и выход компаратора связаны между собой через последовательно соединённую RC цепь. Из-за этого напряжение на инвертирующем входе компаратора асимптотически приближается к выходному напряжению компаратора с постоянной времени RC. В момент, когда напряжение на инвертирующем входе будет больше, чем на неинвертирующем, выходное напряжение компаратора быстро упадёт из-за положительной обратной связи.
Это происходит потому, что напряжение на неинвертирующем входе меньше, чем напряжение на инвертирующем, и по мере того, как выходное напряжение продолжает уменьшаться, разница между входными напряжениями становится всё более отрицательной. Опять же, напряжение на инвертирующем входе асимптотически повышается до выходного напряжение компаратора, и цикл повторяется раз напряжение на неинвертирующем входе больше, чем напряжение на инвертирующем входе, следовательно, система начинает генерировать
Практическое применение релаксационных генераторов
Эти генераторы были использованы в качестве времязадающих в ранних моделях осциллографов и телевизионных приёмников. Разновидности этих схемы находят применение в стробоскопах, используемых в автомастерских и ночных клубах. Электронные фотовспышки построены на моностабильный версии этой схемы, генерируя один пилообразный импульс, передней фронт которого заряжает конденсатор, а круто падающий задний фронт соответственно разряжает, производя вспышку после получения сигнала от кнопки спуска. Использование релаксационных генераторов в качестве цепей развёртки в осциллографах было прекращено после появления гораздо более линейной схемы Интегратора Миллера.