Релаксационные генераторы — это особый класс устройств для генерации электрических колебаний, где активные элементы (например, транзисторы) работают не в линейном, а в ключевом (релейном) режиме, периодически переключаясь между состояниями. К этой категории относятся генераторы, формирующие сигналы треугольной и пилообразной формы, а также различные типы вибраторов — как автоколебательные, так и ждущие (одновибраторы).
Принцип действия и ключевой элемент
Основу большинства релаксационных генераторов составляет триггер Шмитта, который также называют регенеративным компаратором. По своей сути это операционный усилитель, охваченный положительной резистивной обратной связью, что обеспечивает его гистерезисные свойства и быстрое переключение.
В отличие от LC- или RC-генераторов гармонических колебаний, в релаксационных генераторах колебания возникают и поддерживаются в цепях, не обладающих ярко выраженными резонансными свойствами. За каждый период часть энергии рассеивается, а затем восполняется активным элементом в момент его переключения. Длительность периода колебаний определяется скоростью установления равновесия (релаксации) в пассивных цепях, что и дало название этому классу устройств.
Форма сигналов и область применения
Форма генерируемых колебаний напрямую зависит от свойств активного элемента и параметров цепей. Она может варьироваться от почти гармонической (на низких частотах) до резко разрывной, скачкообразной. Эта гибкость позволяет использовать релаксационные генераторы как формирователи сигналов строго заданной формы: прямоугольных и пилообразных импульсов, треугольного напряжения и т.д. Они широко применяются для генерации колебаний звукового и сверхнизкочастотного (СНЧ) диапазонов.
Мультивибратор — классический пример
Ярчайшим представителем релаксационных генераторов разрывного типа является мультивибратор. Этот термин, означающий «много колебаний», предложил голландский физик Ван дер Поль. Он указывает на богатый спектр гармоник в генерируемом сигнале, в отличие от «моновибратора» — генератора синусоидальных колебаний.
Мультивибраторы делятся на два основных типа:
- Симметричные: длительности импульсов и пауз равны.
- Несимметричные: длительности импульсов и пауз различны, что позволяет формировать сигналы с заданной скважностью.
Их реализуют на различной элементной базе: транзисторах, электронных лампах, тиристорах или в виде интегральных микросхем.
Как работает транзисторный мультивибратор
Наиболее распространены двухфазные мультивибраторы на двух транзисторах. Их работа строится на попеременном возбуждении двух усилительных каскадов, связанных между собой цепями обратной связи. Каждый транзистор поочередно открывается и закрывается, а длительность каждого состояния определяется постоянными времени RC-цепей. Процесс переключения напоминает работу блокинг-генератора и управляется соотношением токов в базовых и коллекторных цепях транзисторов.
Режимы работы и многофазные системы
Релаксационные генераторы могут работать в двух основных режимах:
- Автоколебательный режим: генерация импульсов происходит непрерывно.
- Ждущий режим (одновибратор): устройство находится в устойчивом состоянии покоя до прихода внешнего запускающего импульса. После формирования одиночного выходного импульса заданной длительности оно возвращается в исходное состояние.
Помимо двухфазных, существуют и многофазные мультивибраторы. Они содержат несколько каскадов и формируют на выходах последовательность импульсов, сдвинутых друг относительно друга по времени. Эта особенность делает их незаменимыми в многоканальных системах передачи данных, устройствах преобразования информации и системах управления.
Универсальность применения
Функциональность мультивибраторов и других релаксационных генераторов крайне широка. Они могут выступать в роли:
- Генераторов тактовых импульсов.
- Формирователей импульсов заданной длительности и формы.
- Бесконтактных переключателей и ключей.
- Делителей частоты.
- Основы для реле времени и таймеров.
Благодаря этому они нашли массовое применение в вычислительной и измерительной технике, устройствах автоматики, телекоммуникационном оборудовании и многих других областях электроники.