Релаксационный генератор

Релаксационный генератор — это электронный генератор электрических колебаний, форма сигнала которого существенно отличается от синусоидальной и характеризуется наличием участков медленного накопления энергии и быстрого её высвобождения (релаксации). В отличие от генераторов гармонических колебаний, работающих в линейном режиме, релаксационные генераторы функционируют за счёт нелинейных процессов, таких как лавинообразный пробой, переключение тиристора или насыщение транзистора. Классическими представителями являются мультивибраторы, блокинг-генераторы, генераторы пилообразного напряжения и генераторы на основе неоновых ламп или туннельных диодов.

Принцип работы

Основу релаксационного генератора составляет цепь, содержащая накопительный элемент (конденсатор или катушку индуктивности) и нелинейный элемент (газоразрядную лампу, динистор, тиристор, транзистор, операционный усилитель в режиме компаратора или лавинный диод). Процесс генерации состоит из двух фаз:

1. Фаза медленного накопления энергии. Накопительный элемент (обычно конденсатор) заряжается через резистор или от источника тока. Напряжение на нём растёт по экспоненциальному или линейному закону.
2. Фаза быстрой релаксации. При достижении напряжением порогового значения (напряжения пробоя, переключения или срабатывания компаратора) нелинейный элемент резко открывается (или закрывается), создавая цепь разряда. Накопленная энергия импульсно выделяется в нагрузке или рассеивается на внутреннем сопротивлении. После разряда процесс повторяется.

Период колебаний определяется постоянной времени заряда (RC или L/R) и пороговыми напряжениями, а форма сигнала — соотношением длительностей фаз заряда и разряда. Выходной сигнал может быть прямоугольным, пилообразным, игольчатым или иметь сложную форму, содержащую крутые фронты.

История

Первые релаксационные генераторы были созданы на основе газоразрядных трубок (неоновых ламп) в начале XX века. В 1914 году американский физик Эдвард Эпплтон и британский инженер Барнетт использовали подобную схему для генерации незатухающих колебаний. В 1918 году французский физик Анри Абрахам и Эжен Блох разработали мультивибратор — один из самых известных релаксационных генераторов. В 1920-х годах советский учёный Л. И. Мандельштам и его ученики активно исследовали релаксационные колебания в нелинейных системах. С развитием полупроводниковой электроники в 1950-х годах появились транзисторные и тиристорные релаксационные генераторы, которые стали широко применяться в импульсной технике.

Классификация

Релаксационные генераторы классифицируются по типу используемого нелинейного элемента, форме выходного сигнала и схемотехническому исполнению.

По типу нелинейного элемента

• Газоразрядные — на основе неоновых ламп, тиратронов или разрядников. Отличаются высокими напряжениями пробоя и низкой стабильностью.
• Полупроводниковые — на динисторах, тиристорах, туннельных диодах, лавинных транзисторах, однопереходных транзисторах (UJT, PUT).
• Транзисторные — на биполярных или полевых транзисторах, работающих в ключевом режиме (мультивибраторы, блокинг-генераторы).
• Интегральные — на операционных усилителях, таймерах (например, NE555) или специализированных микросхемах.

По форме выходного сигнала

• Генераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы) — симметричные или несимметричные.
• Генераторы пилообразного напряжения — с линейным нарастанием и быстрым спадом (или наоборот).
• Генераторы игольчатых импульсов — с очень короткой длительностью разряда.
• Генераторы ступенчатого напряжения — формируют последовательность дискретных уровней.

По схемотехнике

• Автоколебательные — работают в непрерывном режиме без внешнего запуска.
• Ждущие — генерируют один импульс или пачку импульсов при подаче внешнего запускающего сигнала.
• Синхронизируемые — частота колебаний подстраивается под внешний синхросигнал.

Устройство и характеристики

Типовая схема релаксационного генератора на неоновой лампе содержит конденсатор C, резистор R и неоновую лампу NL, включённые последовательно. При подаче напряжения питания конденсатор заряжается через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения зажигания лампы (обычно 60–90 В), лампа зажигается, её сопротивление резко падает, и конденсатор быстро разряжается через лампу. Когда напряжение падает ниже напряжения гашения (около 50–70 В), лампа гаснет, и процесс повторяется. Период колебаний приблизительно равен \( T \approx R \cdot C \cdot \ln\left(\frac{U_{пит} - U_{гаш}}{U_{пит} - U_{заж}}\right) \).

В полупроводниковых вариантах (например, на однопереходном транзисторе или таймере 555) параметры более стабильны. Для таймера NE555, работающего в автоколебательном режиме, период определяется внешними резисторами R1, R2 и конденсатором C: \( T = 0.693 \cdot (R1 + 2R2) \cdot C \).

Основные характеристики:

• Диапазон частот — от долей герца (инфранизкие частоты) до десятков мегагерц (на лавинных транзисторах).
• Скважность — отношение периода к длительности импульса (может варьироваться от 1,1 до 10⁵ и более).
• Стабильность частоты — обычно невысокая (0,1–10 %), но может быть улучшена кварцевой стабилизацией или синхронизацией.
• Выходное напряжение — определяется напряжением питания и типом элемента (от единиц вольт до сотен вольт).

Применение

Релаксационные генераторы широко используются в различных областях электроники и измерительной техники.

Импульсная техника

• Формирование синхроимпульсов, тактовых сигналов в цифровых схемах.
• Запуск тиристоров и симисторов в силовых преобразователях.
• Генерация высоковольтных импульсов для зажигания газоразрядных ламп (стробоскопы, ксеноновые вспышки).

Измерительные приборы

• Генераторы развёртки в осциллографах (пилообразное напряжение).
• Таймеры и реле времени (на основе RC-цепей и компараторов).
• Генераторы звуковой частоты для простых сигнализаторов и тестеров.

Управление и автоматика

• Формирование задержек, импульсных последовательностей в промышленных контроллерах.
• Схемы защиты от перегрузок (например, «мягкий старт»).
• Преобразователи напряжения (DC-DC) на основе блокинг-генераторов.

Образовательные цели

• Демонстрация принципов релаксации, нелинейных колебаний и работы полупроводниковых приборов.
• Лабораторные стенды для изучения RC-цепей и тиристоров.

Примеры схем

Мультивибратор на транзисторах

Классический симметричный мультивибратор состоит из двух транзисторов, двух конденсаторов и четырёх резисторов. Транзисторы поочерёдно открываются и закрываются, формируя на коллекторах прямоугольные импульсы. Частота определяется номиналами RC-цепей: \( f \approx \frac{1}{1.4 \cdot R \cdot C} \).

Генератор на таймере NE555

Микросхема NE555 (аналог КР1006ВИ1) в автоколебательном режиме обеспечивает стабильные прямоугольные импульсы. Внешние резисторы и конденсатор задают частоту и скважность. Широко применяется в любительских и промышленных устройствах.

Генератор на однопереходном транзисторе (UJT)

Однопереходный транзистор (например, КТ117) имеет отрицательное дифференциальное сопротивление на определённом участке вольт-амперной характеристики. В схеме с конденсатором и резистором он генерирует пилообразное напряжение на эмиттере и короткие импульсы на базе. Используется в фазоимпульсных системах управления тиристорами.

Интересные факты

• Релаксационные генераторы являются одними из самых простых схем для получения электрических колебаний и могут быть собраны из минимального числа компонентов (например, конденсатор, резистор и неоновая лампа).
• В 1960-х годах на основе релаксационных генераторов строились первые электронные музыкальные инструменты (терменвокс, синтезаторы АНС).
• Генераторы на лавинных транзисторах способны формировать импульсы с фронтом менее 100 пикосекунд, что используется в сверхширокополосной радиолокации.
• В некоторых схемах релаксационных генераторов в качестве нелинейного элемента может выступать обычный диод в режиме лавинного пробоя (диодный генератор шума).

Источники

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. — М.: Высшая школа, 2006.
• Справочник по радиоэлектронике / Под ред. А. А. Куликовского. — М.: Энергия, 1970.
• Millman J., Taub H. Pulse, Digital, and Switching Waveforms. — McGraw-Hill, 1965.