АНАЛІЗ РЕЖИМІВ самозбудження. БАЗОВІ СХЕМИ
Зміст
Введення
Порівняльний аналіз режимів самозбудження генератора
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Автогенератор на тунельному діоді
Узагальнена схема триточкового генератора
Висновок
Література
Введення
Провівши порівняльний аналіз режимів самозбудження автогенератора, зазначивши достоїнства і недоліки цих режимів, необхідно акцентувати увагу на поєднанні їх достоїнств в автоматичному зсуві шляхом аналізу конкретних схем його забезпечення.
Розглядаючи базові схеми автогенераторів із застосуванням трансформаторів і тунельних діодів, особливу увагу слід приділити на розуміння курсантами фізичних процесів, що відбуваються при самозбудження і роботі генераторів, а також зробити опору на вивчені теоретичні основи автоколивань.
Перший патент на трьохточкову схему виданий інженеру американської фірми "Вестерн електрик" Р. Хартлі (1975 р.), ім'я якого вона носить в радіотехнічної літературі. Це індуктивна трехточка. У схемі Хартлея зворотній зв'язок змінюється шляхом переміщення точки приєднання катода по витків котушки індуктивності контуру. У 1918 році інженер тієї ж фірми Е. Колпітц запатентував схему лампового генератора з ємнісним зворотним зв'язком. Схеми Хартлея і Колпітца є основними схемами автогенераторів і прототипами всіх історично більш пізніх автогенераторів.
Наприкінці першої світової війни в лампової техніки генерування незатухаючих коливань були зроблені спроби використовувати внутріламповие ємності. Позитивний зворотний зв'язок через місткість сітка-анод тріода, з якою боролися в радіоприймачах, тут виявилася корисною. Одна з ранніх схем такого типу мала два контури - один в анодному ланцюзі, інший - у сіткового ланцюга і була еквівалентна індуктивного трехточке. Коливання виникали, коли контури були трохи засмучені щодо частоти генерації і мали індуктивний опір. Ця схема знайшла застосування на коротких хвилях в радіоаматорського практиці 20-х років. Пізніше з'явилися інші варіанти двоконтурних генераторів. Важливо підкреслити, що всі вони зводилися або до індуктивного, або до ємнісний трехточкам. Принципи побудови лампових генераторів збереглися до наших днів, незважаючи на те, що елементна база зробила крок далеко вперед (від лампового тріода до інтегральних мікросхем).
Порівняльний аналіз режимів самозбудження генератора
Проведемо порівняльний аналіз режимів самозбудження, використовуючи при цьому різні характеристики автогенератора.
М'який режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики i K (u БЕ) з найбільшою крутизною, то режим самозбудження називається м'яким.
Простежимо за змінами амплітуди струму першої гармоніки в залежності від величини коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС. Зміна До ОС призводить до зміни кута нахилу a прямий зворотного зв'язку (рис.1)
а) б)
Рис. 1 М'який режим самозбудження
При К ОС = К ОС1 стан спокою стійко і генератор не порушується, амплітуда коливань дорівнює нулю (рис. 1 б). Величина До ОС = К ОС2 = К КР є граничної (критичної) між стійкістю і нестійкістю стану спокою. При К ОС = К ОС3> До КР стан спокою нестійка, генератор збудиться, і величина I m 1 встановиться відповідній точці А. При збільшенні До ОС величина першої гармоніки вихідного струму буде плавно рости і при К ОС = К ОС4 встановиться в точці Б. При зменшенні До ОС амплітуда коливань буде зменшуватися з тієї ж кривої і коливання зірвуться при коефіцієнті зворотного зв'язку До ОС = К ОС2 <До КР.
Як висновки можна відзначити наступні особливості м'якого режиму самозбудження:
- Для збудження не потрібен великий величини коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Порушення і зрив коливань відбуваються при одному і тому ж значенні коефіцієнта зворотного зв'язку До КР;
- Можлива плавне регулювання амплітуди стаціонарних коливань шляхом зміни величини коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Як недолік слід відзначити велике значення постійної складової колекторного струму, що призводить до малого значенням ККД.
Жорсткий режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики i K = f (U БЕ) з малою крутістю S <S MAX, то режим самозбудження називається жорстким.
Проведемо аналіз режиму (аналогічно м'якому режиму самозбудження) за коливальної характеристиці автогенератора I m 1 = f (U m БЕ) і характеристиці I m 1 = f (К ОС), представлених на рисунках 2 а) і б) відповідно.
а) б)
Рис. 2 Жорсткий режим самозбудження
Аналізуючи точки перетину прямих зворотного зв'язку з коливальної характеристикою, приходимо до висновку, що порушення автогенератора станеться, коли коефіцієнт зворотного зв'язку перевищить величину До ОС3 = К ОСКР. Подальше збільшення К ОС призводить до невеликого збільшення амплітуди першої гармоніки вихідного (колекторного) струму I m 1 по шляху В-Г-Д. Зменшення До ОС до К ОС1 не призводить до зриву коливань, так як точки В і Б стійкі, а точка А стійка справа. Коливання зриваються в точці А, тобто при К ОС <До ОС1, так як точка А нестійка ліворуч.
Таким чином, можна відзначити наступні особливості роботи генератора при жорсткому режимі самозбудження:
- Для самозбудження потрібна велика величина коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Порушення і зрив коливань відбуваються ступінчасто при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Амплітуда стаціонарних коливань у великих межах змінюватися не може;
- Постійна складова колекторного струму менше, ніж у м'якому режимі, отже, значно вище ККД.
Порівнюючи позитивні та негативні сторони розглянутих режимів самозбудження, приходимо до спільного висновку: надійне самозбудження генератора забезпечує м'який режим, а економічну роботу, високий ККД і більш стабільну амплітуду коливань - жорсткий режим.
Прагнення об'єднати ці переваги призвело до ідеї використання автоматичного зміщення, коли генератор порушується при м'якому режимі самозбудження, а його робота відбувається в жорсткому режимі. Сутність автоматичного зміщення розглянута нижче.
Рис. 3 Принцип автоматичного зміщення автогенератора
Напруга автоматичного зміщення отримують зазвичай за рахунок струму бази шляхом включення в ланцюг бази ланцюжка R Б C Б (рис. 4).
Рис. 4. Схема автоматичного зсуву за рахунок струму бази
Початкова напруга зсуву забезпечується джерелом напруги Е Б. При зростанні амплітуди коливань збільшується напруга на резисторі R Б, створюване постійної складової базової струму I Б0. Результуюча напруга зсуву (Е Б - I Б0 R Б) при цьому зменшується, прагнучи до Е БСТ.
У практичних схемах початкова напруга зсуву забезпечується за допомогою базового подільника R Б1, R Б2 (рис. 5).
Рис. 5. Автоматичне усунення з допомогою базового подільника
У цій схемі початкова напруга зсуву
де
При зростанні амплітуди коливань постійна складова струму бази I Б 0 збільшується і зсув Е Б зменшується за величиною, досягаючи значення Е БСТ в усталеному режимі. Конденсатор С Б запобігає коротке замикання резистора R Б1 по постійному струму.
Слід зазначити, що введення в схему генератора ланцюга автоматичного зміщення може призвести до явища переривчастої генерації. Причиною її виникнення є запізніле напруги автоматичного зміщення щодо наростання амплітуди коливань. При великій постійної часу t = R Б З Б (рис. 8.41) коливання швидко наростають, а зсув залишається практично незмінним - Е Б. НАЧ. Далі зсув починає змінюватися і може виявитися менше тієї критичної величини, при якій ще виконуються умови стаціонарності, і коливання зірвуться. Після зриву коливань ємність С Б буде повільно розряджатися через R Б і зсув знову буде прагнути до Е Б. НАЧ. Як тільки крутизна стане досить великий, генератор знову збудиться. Далі процеси будуть повторюватися. Таким чином, коливання періодично будуть виникати і знову зриватися.
Переривчасті коливання, як правило, відносяться до небажаних явищ. Тому дуже важливо розрахунок елементів ланцюга автоматичного зміщення проводити так, щоб виключити можливість виникнення переривчастої генерації.
Для виключення переривчастої генерації в схемі (рис. 3) величину C Б вибирають з рівності
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Розглянемо спрощену схему транзисторного автогенератора гармонійних коливань з трансформаторної зворотним зв'язком (рис. 6).
Рис. 6. Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Призначення елементів схеми:
1) транзистор VT p - n - p типу, виконує роль підсилювального нелінійного елемента;
2) коливальний контур L K C K G Е задає частоту коливань генератора і забезпечує їх гармонійну форму, речова провідність G Е характеризує втрати енергії в самому контурі і в зовнішній навантаженні, пов'язаної з контуром;
3) котушка L Б забезпечує позитивний зворотний зв'язок між колекторної (вихідний) і базовою (вхідний) ланцюгами, вона індуктивно пов'язана з котушкою контуру L К (коефіцієнт взаємоіндукції М);
4) джерела живлення Е Б і Е К забезпечують необхідні постійні напруги на переходах транзистора для забезпечення активного режиму його роботи;
5) конденсатор З Р поділяє генератор і його навантаження по постійному струму;
6) блокувальні конденсатори З Б1 і Б2 З шунтируют джерела живлення по змінному струмі, виключаючи непотрібні втрати енергії на їх внутрішніх опорах.
Фізичні процеси в генераторі.
При підключенні джерел живлення Е Б і Е До емітерний перехід зміщується у прямому напрямку і виникає колекторний струм i К (t), який на початку замикається від + Е К через емітер - базу - колектор транзистора і ємність С К на - Е К, оскільки ємність для перепаду струму являє собою коротке замикання. Конденсатор С К заряджається, а потім починає розряджатися через елементи контуру L K G Е і в контурі виникають вільні коливання. Коливальний струм, проходячи через L К, створює ЕРС взаємоіндукції в котушці L Б. Ця ЕРС прикладається до емітерного переходу транзистора через ємність С Б1 і управляє струмами бази і колектора. Змінна складова колекторного струму, що протікає по ланцюгу: колектор, контур L K C K G Е, емітер, база, колектор, заповнює втрати енергії в контурі і, якщо виконані умови самозбудження, то коливання в ньому будуть наростати в амплітуді. Перша умова самозбудження називається фазовим і воно досягається тим, що котушка L Б включається зустрічно котушці L К. У цьому випадку напруга на базі U БЕ буде змінюватися в протифазі з напругою на колекторі (відповідно, і з напругою на контурі U К) і вихідна провідність транзистора виявиться негативною. Це означає, що транзистор є джерелом енергії по змінному струмі. Але одного фазового умови недостатньо, необхідно ще виконання амплітудного умови самозбудження, тобто щоб енергія W (+), надходить у контур від транзистора, перевищувала втрати енергії W (-) на провідності G Е. Практично це досягається вибором М> М КР, де М КР - величина М, при якій виконується рівність W (+) = W (-). Частота генеруючих коливань приблизно дорівнює резонансної частоті контуру
оскільки при Q>> 1, величина коефіцієнта загасання d
Переваги схеми: можливість плавного, незалежного регулювання частоти (шляхом зміни З К) і амплітуди (шляхом зміни М) коливань.
Недолік схеми полягає в тому, що на високих частотах утруднена регулювання амплітуди коливань через вплив паразитної ємності між котушками L K і L Б, тому генератори з трансформаторної зворотним зв'язком застосовуються в діапазонах довгих і середніх хвиль (ДВ і СВ).
При розрахунку параметрів генератора необхідно визначити частоту генеруючих коливань, резонансну частоту контуру, добротність контуру, а також виконання амплітудного та фазового умови самозбудження.
Приклад
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком (рис. 6) має параметри контуру L K = 3 мкГн, С К = 90 пФ, G Е = 25 Ом.
Визначити частоту власних затухаючих коливань коливального контуру w 1, резонансну частоту w 0 і добротність Q коливального контуру.
Рішення завдання.
Оскільки включення котушок L Б і L K вироблено зустрічно, що забезпечує протифазне зміна тиску на базі і колекторі транзистора, то фазове умова самозбудження виконано. Амплітудне умова самозбудження буде досягнуто вибором М> М КР.
Для визначення режиму вільних коливань в контурі розрахуємо його параметри.
Частота власних коливань контуру визначається виразом
Для її визначення обчислимо резонансну частоту контуру і коефіцієнт загасання контуру:
Звідси
Добротність контуру обчислимо за формулою
Як видно з наведених розрахунків, частота власних коливань і резонансна частота контура, при добротності Q>> 1, практично збігається (квазіколебательний режим), що підтверджує теоретичні положення.
Автогенератор на тунельному діоді
Історично тунельні діоди з'явилися значно пізніше, ніж транзистори і лампи. Малі габарити і вага, висока надійність та економічність зумовили швидке розширення області їх застосування. Вольт-амперна характеристика у тунельного діода - типу N (рис. 7). Тому схема автогенератора виходить просто: до діода підключають паралельний контур по змінному струму (рис. 8.44 б), а режим по постійному току вибирають так, щоб робоча точка О опинилася на падаючому ділянці характеристики (рис. 7).
а) б)
Рис.7. Вольт-амперна характеристика і схема генератора на тунельному діоді
Режим по постійному струму повинен забезпечуватися з урахуванням внутрішнього опору джерела R i. Для цього необхідно вирішити систему двох рівнянь:
Графічне рішення системи показано на малюнку 8.44 а.
Розглянемо два випадки.
У першому випадку, при крутизні нахилу характеристики | S (U 0) |> 1 / R i, існує три можливих стану, що задовольняють рівнянням системи - точки А, О, Б. Аналіз, з урахуванням ємності самого діода, показує, що тільки точки А і Б, розташовані на наростаючих ділянках характеристики, є стійкими. Якщо точка спокою (точка О) знаходиться на ділянці характеристики з негативним нахилом, то стан схеми буде нестійким і робоча точка мимовільно зміщується в одне з крайніх положень (в точку А або точку Б).
У другому випадку, при крутизні нахилу характеристики | S (U 0) | <1 / R i, існує лише один стан, що задовольняє рівнянням - точка О. Воно виявляється стійким і тому робоча точка може бути встановлена на будь-якій ділянці вольт-амперної характеристики з від'ємною крутизною, отже, фазовий умова самозбудження виконується. Амплітудне умова самозбудження буде виконано, якщо | S (U 0) |> G Е, де G Е - провідність контуру в точках підключення діода.
Частота коливань дорівнює
і може змінюватися за допомогою С К. Амплітуда коливань змінюється шляхом зміни точки підключення діода до коливального контуру. Якщо котушки L 1 і L 2 не пов'язані єдиним магнітним полем, то коефіцієнт включення контуру дорівнює
Якщо ж котушки L 1 і L 2 утворюють єдину котушку із загальним магнітним полем, то діод підключається до індуктивного гілки з коефіцієнтом включення, рівним
де n 1 і n 2 - число витків у частинах котушки, позначених на схемі L 1 і L 2.
Блокувальна ємність С Б вибирається з умови
Переваги схеми:
1) здатність працювати в дуже широкому діапазоні частот (від одиниць кілогерц до десятків гігагерц);
2) висока стабільність параметрів при зміні температури в широких межах;
3) низький рівень власних шумів;
4) мале споживання енергії від джерел живлення;
5) тривалий термін служби;
6) мала чутливість до впливу радіації.
Недолік схеми - мала вихідна потужність, що обумовлено малими інтервалами струмів і напруги в межах падаючого ділянки характеристики (з негативною крутизною). Наприклад, генератор на одному тунельному діоді з піковим струмом до 10 мА забезпечує потужність, що не перевищує одиниць міліват. Для отримання більшої потужності необхідно застосовувати діоди з великими піковими струмами.
Узагальнена схема триточкового автогенератора
Крім схеми автогенератора з трансформаторної зворотним зв'язком існують так звані триточкові схеми автогенераторів синусоїдальних коливань. У них немає котушок зв'язку та позитивний зворотний зв'язок досягається автотрансформаторного (потенціометричним) підключенням ланцюга зворотного зв'язку до контуру, тобто зворотній зв'язок реалізована за допомогою реактивних дільників напруги ємнісного або індуктивного типу.
У триточкового автогенератора активний прилад (лампа або транзистор) підключається до коливального контуру в трьох точках. Зобразимо узагальнену схему заміщення триточкового генератора за змінним струмом, яка буде справедлива для будь-якого генератора такого типу (рис. 8).
Рис. 8. Узагальнена схема заміщення триточкового автогенератора
Контур складається з двополюсників
Узагальнена схема містить підсилювач з коефіцієнтом підсилення
і навантаженням у вигляді контуру Х 1 Х 2 Х 3, а також ланцюг зворотного зв'язку, передавальну частина вихідної напруги підсилювача назад на його вхід з коефіцієнтом передачі
Оскільки
Те
Фаза коефіцієнта посилення j К в схемі з загальним емітером (катодом) на резонансній частоті контуру дорівнює 180 °, тому що опір контуру на цій частоті чисто активно, а підсилювач з загальним емітером інвертує сигнал. Отже, для виконання фазового умови самозбудження генератора j К + j b = 360 ° необхідно, щоб j b = 180 °. Це буде виконуватися, якщо b буде дійсною і негативною величиною. Відповідно до (8.40) можна стверджувати, що це буде виконуватися за двох умов:
1) Х 1 і Х 3 повинні бути різного знаку (різного характеру реактивності);
2) | Х 3 |> | X 1 |. Частота генеруючих коливань дорівнює резонансної частоті контуру, так як фазовий умова буде виконуватися тільки на цій частоті. З умови резонансу в контурі Х 1 + Х 2 + Х 3 = 0 випливає, що Х 2 повинен мати знак, однаковий з Х 1 і тоді
Таким чином, можна сформулювати правило побудови триточкового генератора: між загальним і керуючим, загальним і вихідним електродами підсилювального елемента повинні бути включені реактивні елементи однакового характеру реактивності, а між керуючим і вихідним електродами - елемент протилежного характеру реактивності.
Дотримання цього правила гарантує виконання фазового умови самозбудження генератора.
Якщо реактивні двухполюсник є одноелементні, то можливі лише два варіанти триточкових генераторів (рис. 9).
а) б)
Рис. 9. Схеми триточкових генераторів
Схему, представлену на малюнку 9, а називають індуктивною трехточкой, а на малюнку 8.46, б - ємнісний трехточкой.
Всі вищенаведені міркування і висновки справедливі і для триточкових автогенераторів, зібраних на лампі. Неважко зобразити і аналогічні схеми індуктивного та ємнісної трехточкі.
Слід підкреслити, що двухполюсник
Висновок
Кожна схема має свої переваги і недоліки. Поява нових схем обумовлено бажанням поліпшити ті чи інші властивості наявних схем. Наприклад, бажання отримати можливість незалежного регулювання частоти і амплітуди коливань на всіх більш високих частотах разом з певними конструктивними зручностями, отримати більш високу стабільність частоти і т. д. Однак одночасного поліпшення всіх властивостей, як правило, досягти не вдається в силу їх суперечливості, тому доводиться віддавати перевагу тій чи іншій схемі в залежності від умов застосування.
Література:
1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основи радіотехніки та електроніки. Частина 8, 2000р ..
2. Нікольський І. М., хопов В. Б., Варокосін Н. П., Григор'єв В. А., Колесников А. А. Нелінійні радіотехнічні пристрої зв'язку. 1972.
Зміст
Введення
Порівняльний аналіз режимів самозбудження генератора
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Автогенератор на тунельному діоді
Узагальнена схема триточкового генератора
Висновок
Література
Введення
Провівши порівняльний аналіз режимів самозбудження автогенератора, зазначивши достоїнства і недоліки цих режимів, необхідно акцентувати увагу на поєднанні їх достоїнств в автоматичному зсуві шляхом аналізу конкретних схем його забезпечення.
Розглядаючи базові схеми автогенераторів із застосуванням трансформаторів і тунельних діодів, особливу увагу слід приділити на розуміння курсантами фізичних процесів, що відбуваються при самозбудження і роботі генераторів, а також зробити опору на вивчені теоретичні основи автоколивань.
Перший патент на трьохточкову схему виданий інженеру американської фірми "Вестерн електрик" Р. Хартлі (1975 р.), ім'я якого вона носить в радіотехнічної літературі. Це індуктивна трехточка. У схемі Хартлея зворотній зв'язок змінюється шляхом переміщення точки приєднання катода по витків котушки індуктивності контуру. У 1918 році інженер тієї ж фірми Е. Колпітц запатентував схему лампового генератора з ємнісним зворотним зв'язком. Схеми Хартлея і Колпітца є основними схемами автогенераторів і прототипами всіх історично більш пізніх автогенераторів.
Наприкінці першої світової війни в лампової техніки генерування незатухаючих коливань були зроблені спроби використовувати внутріламповие ємності. Позитивний зворотний зв'язок через місткість сітка-анод тріода, з якою боролися в радіоприймачах, тут виявилася корисною. Одна з ранніх схем такого типу мала два контури - один в анодному ланцюзі, інший - у сіткового ланцюга і була еквівалентна індуктивного трехточке. Коливання виникали, коли контури були трохи засмучені щодо частоти генерації і мали індуктивний опір. Ця схема знайшла застосування на коротких хвилях в радіоаматорського практиці 20-х років. Пізніше з'явилися інші варіанти двоконтурних генераторів. Важливо підкреслити, що всі вони зводилися або до індуктивного, або до ємнісний трехточкам. Принципи побудови лампових генераторів збереглися до наших днів, незважаючи на те, що елементна база зробила крок далеко вперед (від лампового тріода до інтегральних мікросхем).
Порівняльний аналіз режимів самозбудження генератора
Проведемо порівняльний аналіз режимів самозбудження, використовуючи при цьому різні характеристики автогенератора.
М'який режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики i K (u БЕ) з найбільшою крутизною, то режим самозбудження називається м'яким.
Простежимо за змінами амплітуди струму першої гармоніки в залежності від величини коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС. Зміна До ОС призводить до зміни кута нахилу a прямий зворотного зв'язку (рис.1)
а) б)
Рис. 1 М'який режим самозбудження
При К ОС = К ОС1 стан спокою стійко і генератор не порушується, амплітуда коливань дорівнює нулю (рис. 1 б). Величина До ОС = К ОС2 = К КР є граничної (критичної) між стійкістю і нестійкістю стану спокою. При К ОС = К ОС3> До КР стан спокою нестійка, генератор збудиться, і величина I m 1 встановиться відповідній точці А. При збільшенні До ОС величина першої гармоніки вихідного струму буде плавно рости і при К ОС = К ОС4 встановиться в точці Б. При зменшенні До ОС амплітуда коливань буде зменшуватися з тієї ж кривої і коливання зірвуться при коефіцієнті зворотного зв'язку До ОС = К ОС2 <До КР.
Як висновки можна відзначити наступні особливості м'якого режиму самозбудження:
- Для збудження не потрібен великий величини коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Порушення і зрив коливань відбуваються при одному і тому ж значенні коефіцієнта зворотного зв'язку До КР;
- Можлива плавне регулювання амплітуди стаціонарних коливань шляхом зміни величини коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Як недолік слід відзначити велике значення постійної складової колекторного струму, що призводить до малого значенням ККД.
Жорсткий режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики i K = f (U БЕ) з малою крутістю S <S MAX, то режим самозбудження називається жорстким.
Проведемо аналіз режиму (аналогічно м'якому режиму самозбудження) за коливальної характеристиці автогенератора I m 1 = f (U m БЕ) і характеристиці I m 1 = f (К ОС), представлених на рисунках 2 а) і б) відповідно.
а) б)
Рис. 2 Жорсткий режим самозбудження
Аналізуючи точки перетину прямих зворотного зв'язку з коливальної характеристикою, приходимо до висновку, що порушення автогенератора станеться, коли коефіцієнт зворотного зв'язку перевищить величину До ОС3 = К ОСКР. Подальше збільшення К ОС призводить до невеликого збільшення амплітуди першої гармоніки вихідного (колекторного) струму I m 1 по шляху В-Г-Д. Зменшення До ОС до К ОС1 не призводить до зриву коливань, так як точки В і Б стійкі, а точка А стійка справа. Коливання зриваються в точці А, тобто при К ОС <До ОС1, так як точка А нестійка ліворуч.
Таким чином, можна відзначити наступні особливості роботи генератора при жорсткому режимі самозбудження:
- Для самозбудження потрібна велика величина коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Порушення і зрив коливань відбуваються ступінчасто при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку До ОС;
- Амплітуда стаціонарних коливань у великих межах змінюватися не може;
- Постійна складова колекторного струму менше, ніж у м'якому режимі, отже, значно вище ККД.
Порівнюючи позитивні та негативні сторони розглянутих режимів самозбудження, приходимо до спільного висновку: надійне самозбудження генератора забезпечує м'який режим, а економічну роботу, високий ККД і більш стабільну амплітуду коливань - жорсткий режим.
Прагнення об'єднати ці переваги призвело до ідеї використання автоматичного зміщення, коли генератор порушується при м'якому режимі самозбудження, а його робота відбувається в жорсткому режимі. Сутність автоматичного зміщення розглянута нижче.
Автоматичне зсув.
Сутність режиму полягає в тому, що для забезпечення збудження автогенератора в м'якому режимі вихідне положення робочої точки вибирається на лінійній ділянці прохідний характеристики з максимальною крутизною. Еквівалентний опір контуру вибирається таким, щоб виконувались умови самозбудження. У процесі наростання амплітуди коливань режим по постійному току автоматично змінюється і в стаціонарному стані встановлюється режим роботи з відсічкою вихідного струму (струму колектора), тобто автогенератор працює в жорсткому режимі самозбудження на ділянці прохідний характеристики з малою крутістю (рис. 3).Рис. 3 Принцип автоматичного зміщення автогенератора
Напруга автоматичного зміщення отримують зазвичай за рахунок струму бази шляхом включення в ланцюг бази ланцюжка R Б C Б (рис. 4).
Рис. 4. Схема автоматичного зсуву за рахунок струму бази
Початкова напруга зсуву забезпечується джерелом напруги Е Б. При зростанні амплітуди коливань збільшується напруга на резисторі R Б, створюване постійної складової базової струму I Б0. Результуюча напруга зсуву (Е Б - I Б0 R Б) при цьому зменшується, прагнучи до Е БСТ.
У практичних схемах початкова напруга зсуву забезпечується за допомогою базового подільника R Б1, R Б2 (рис. 5).
Рис. 5. Автоматичне усунення з допомогою базового подільника
У цій схемі початкова напруга зсуву
де
При зростанні амплітуди коливань постійна складова струму бази I Б 0 збільшується і зсув Е Б зменшується за величиною, досягаючи значення Е БСТ в усталеному режимі. Конденсатор С Б запобігає коротке замикання резистора R Б1 по постійному струму.
Слід зазначити, що введення в схему генератора ланцюга автоматичного зміщення може призвести до явища переривчастої генерації. Причиною її виникнення є запізніле напруги автоматичного зміщення щодо наростання амплітуди коливань. При великій постійної часу t = R Б З Б (рис. 8.41) коливання швидко наростають, а зсув залишається практично незмінним - Е Б. НАЧ. Далі зсув починає змінюватися і може виявитися менше тієї критичної величини, при якій ще виконуються умови стаціонарності, і коливання зірвуться. Після зриву коливань ємність С Б буде повільно розряджатися через R Б і зсув знову буде прагнути до Е Б. НАЧ. Як тільки крутизна стане досить великий, генератор знову збудиться. Далі процеси будуть повторюватися. Таким чином, коливання періодично будуть виникати і знову зриватися.
Переривчасті коливання, як правило, відносяться до небажаних явищ. Тому дуже важливо розрахунок елементів ланцюга автоматичного зміщення проводити так, щоб виключити можливість виникнення переривчастої генерації.
Для виключення переривчастої генерації в схемі (рис. 3) величину C Б вибирають з рівності
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Розглянемо спрощену схему транзисторного автогенератора гармонійних коливань з трансформаторної зворотним зв'язком (рис. 6).
Рис. 6. Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком
Призначення елементів схеми:
1) транзистор VT p - n - p типу, виконує роль підсилювального нелінійного елемента;
2) коливальний контур L K C K G Е задає частоту коливань генератора і забезпечує їх гармонійну форму, речова провідність G Е характеризує втрати енергії в самому контурі і в зовнішній навантаженні, пов'язаної з контуром;
3) котушка L Б забезпечує позитивний зворотний зв'язок між колекторної (вихідний) і базовою (вхідний) ланцюгами, вона індуктивно пов'язана з котушкою контуру L К (коефіцієнт взаємоіндукції М);
4) джерела живлення Е Б і Е К забезпечують необхідні постійні напруги на переходах транзистора для забезпечення активного режиму його роботи;
5) конденсатор З Р поділяє генератор і його навантаження по постійному струму;
6) блокувальні конденсатори З Б1 і Б2 З шунтируют джерела живлення по змінному струмі, виключаючи непотрібні втрати енергії на їх внутрішніх опорах.
Фізичні процеси в генераторі.
При підключенні джерел живлення Е Б і Е До емітерний перехід зміщується у прямому напрямку і виникає колекторний струм i К (t), який на початку замикається від + Е К через емітер - базу - колектор транзистора і ємність С К на - Е К, оскільки ємність для перепаду струму являє собою коротке замикання. Конденсатор С К заряджається, а потім починає розряджатися через елементи контуру L K G Е і в контурі виникають вільні коливання. Коливальний струм, проходячи через L К, створює ЕРС взаємоіндукції в котушці L Б. Ця ЕРС прикладається до емітерного переходу транзистора через ємність С Б1 і управляє струмами бази і колектора. Змінна складова колекторного струму, що протікає по ланцюгу: колектор, контур L K C K G Е, емітер, база, колектор, заповнює втрати енергії в контурі і, якщо виконані умови самозбудження, то коливання в ньому будуть наростати в амплітуді. Перша умова самозбудження називається фазовим і воно досягається тим, що котушка L Б включається зустрічно котушці L К. У цьому випадку напруга на базі U БЕ буде змінюватися в протифазі з напругою на колекторі (відповідно, і з напругою на контурі U К) і вихідна провідність транзистора виявиться негативною. Це означає, що транзистор є джерелом енергії по змінному струмі. Але одного фазового умови недостатньо, необхідно ще виконання амплітудного умови самозбудження, тобто щоб енергія W (+), надходить у контур від транзистора, перевищувала втрати енергії W (-) на провідності G Е. Практично це досягається вибором М> М КР, де М КР - величина М, при якій виконується рівність W (+) = W (-). Частота генеруючих коливань приблизно дорівнює резонансної частоті контуру
оскільки при Q>> 1, величина коефіцієнта загасання d
Переваги схеми: можливість плавного, незалежного регулювання частоти (шляхом зміни З К) і амплітуди (шляхом зміни М) коливань.
Недолік схеми полягає в тому, що на високих частотах утруднена регулювання амплітуди коливань через вплив паразитної ємності між котушками L K і L Б, тому генератори з трансформаторної зворотним зв'язком застосовуються в діапазонах довгих і середніх хвиль (ДВ і СВ).
При розрахунку параметрів генератора необхідно визначити частоту генеруючих коливань, резонансну частоту контуру, добротність контуру, а також виконання амплітудного та фазового умови самозбудження.
Приклад
Автогенератор з трансформаторної зворотним зв'язком (рис. 6) має параметри контуру L K = 3 мкГн, С К = 90 пФ, G Е = 25 Ом.
Визначити частоту власних затухаючих коливань коливального контуру w 1, резонансну частоту w 0 і добротність Q коливального контуру.
Рішення завдання.
Оскільки включення котушок L Б і L K вироблено зустрічно, що забезпечує протифазне зміна тиску на базі і колекторі транзистора, то фазове умова самозбудження виконано. Амплітудне умова самозбудження буде досягнуто вибором М> М КР.
Для визначення режиму вільних коливань в контурі розрахуємо його параметри.
Частота власних коливань контуру визначається виразом
Для її визначення обчислимо резонансну частоту контуру і коефіцієнт загасання контуру:
Звідси
Добротність контуру обчислимо за формулою
Як видно з наведених розрахунків, частота власних коливань і резонансна частота контура, при добротності Q>> 1, практично збігається (квазіколебательний режим), що підтверджує теоретичні положення.
Автогенератор на тунельному діоді
Історично тунельні діоди з'явилися значно пізніше, ніж транзистори і лампи. Малі габарити і вага, висока надійність та економічність зумовили швидке розширення області їх застосування. Вольт-амперна характеристика у тунельного діода - типу N (рис. 7). Тому схема автогенератора виходить просто: до діода підключають паралельний контур по змінному струму (рис. 8.44 б), а режим по постійному току вибирають так, щоб робоча точка О опинилася на падаючому ділянці характеристики (рис. 7).
а) б)
Рис.7. Вольт-амперна характеристика і схема генератора на тунельному діоді
Режим по постійному струму повинен забезпечуватися з урахуванням внутрішнього опору джерела R i. Для цього необхідно вирішити систему двох рівнянь:
Графічне рішення системи показано на малюнку 8.44 а.
Розглянемо два випадки.
У першому випадку, при крутизні нахилу характеристики | S (U 0) |> 1 / R i, існує три можливих стану, що задовольняють рівнянням системи - точки А, О, Б. Аналіз, з урахуванням ємності самого діода, показує, що тільки точки А і Б, розташовані на наростаючих ділянках характеристики, є стійкими. Якщо точка спокою (точка О) знаходиться на ділянці характеристики з негативним нахилом, то стан схеми буде нестійким і робоча точка мимовільно зміщується в одне з крайніх положень (в точку А або точку Б).
У другому випадку, при крутизні нахилу характеристики | S (U 0) | <1 / R i, існує лише один стан, що задовольняє рівнянням - точка О. Воно виявляється стійким і тому робоча точка може бути встановлена на будь-якій ділянці вольт-амперної характеристики з від'ємною крутизною, отже, фазовий умова самозбудження виконується. Амплітудне умова самозбудження буде виконано, якщо | S (U 0) |> G Е, де G Е - провідність контуру в точках підключення діода.
Частота коливань дорівнює
і може змінюватися за допомогою С К. Амплітуда коливань змінюється шляхом зміни точки підключення діода до коливального контуру. Якщо котушки L 1 і L 2 не пов'язані єдиним магнітним полем, то коефіцієнт включення контуру дорівнює
Якщо ж котушки L 1 і L 2 утворюють єдину котушку із загальним магнітним полем, то діод підключається до індуктивного гілки з коефіцієнтом включення, рівним
де n 1 і n 2 - число витків у частинах котушки, позначених на схемі L 1 і L 2.
Блокувальна ємність С Б вибирається з умови
Переваги схеми:
1) здатність працювати в дуже широкому діапазоні частот (від одиниць кілогерц до десятків гігагерц);
2) висока стабільність параметрів при зміні температури в широких межах;
3) низький рівень власних шумів;
4) мале споживання енергії від джерел живлення;
5) тривалий термін служби;
6) мала чутливість до впливу радіації.
Недолік схеми - мала вихідна потужність, що обумовлено малими інтервалами струмів і напруги в межах падаючого ділянки характеристики (з негативною крутизною). Наприклад, генератор на одному тунельному діоді з піковим струмом до 10 мА забезпечує потужність, що не перевищує одиниць міліват. Для отримання більшої потужності необхідно застосовувати діоди з великими піковими струмами.
Узагальнена схема триточкового автогенератора
Крім схеми автогенератора з трансформаторної зворотним зв'язком існують так звані триточкові схеми автогенераторів синусоїдальних коливань. У них немає котушок зв'язку та позитивний зворотний зв'язок досягається автотрансформаторного (потенціометричним) підключенням ланцюга зворотного зв'язку до контуру, тобто зворотній зв'язок реалізована за допомогою реактивних дільників напруги ємнісного або індуктивного типу.
У триточкового автогенератора активний прилад (лампа або транзистор) підключається до коливального контуру в трьох точках. Зобразимо узагальнену схему заміщення триточкового генератора за змінним струмом, яка буде справедлива для будь-якого генератора такого типу (рис. 8).
Рис. 8. Узагальнена схема заміщення триточкового автогенератора
Контур складається з двополюсників
Узагальнена схема містить підсилювач з коефіцієнтом підсилення
і навантаженням у вигляді контуру Х 1 Х 2 Х 3, а також ланцюг зворотного зв'язку, передавальну частина вихідної напруги підсилювача назад на його вхід з коефіцієнтом передачі
Оскільки
Те
Фаза коефіцієнта посилення j К в схемі з загальним емітером (катодом) на резонансній частоті контуру дорівнює 180 °, тому що опір контуру на цій частоті чисто активно, а підсилювач з загальним емітером інвертує сигнал. Отже, для виконання фазового умови самозбудження генератора j К + j b = 360 ° необхідно, щоб j b = 180 °. Це буде виконуватися, якщо b буде дійсною і негативною величиною. Відповідно до (8.40) можна стверджувати, що це буде виконуватися за двох умов:
1) Х 1 і Х 3 повинні бути різного знаку (різного характеру реактивності);
2) | Х 3 |> | X 1 |. Частота генеруючих коливань дорівнює резонансної частоті контуру, так як фазовий умова буде виконуватися тільки на цій частоті. З умови резонансу в контурі Х 1 + Х 2 + Х 3 = 0 випливає, що Х 2 повинен мати знак, однаковий з Х 1 і тоді
Таким чином, можна сформулювати правило побудови триточкового генератора: між загальним і керуючим, загальним і вихідним електродами підсилювального елемента повинні бути включені реактивні елементи однакового характеру реактивності, а між керуючим і вихідним електродами - елемент протилежного характеру реактивності.
Дотримання цього правила гарантує виконання фазового умови самозбудження генератора.
Якщо реактивні двухполюсник є одноелементні, то можливі лише два варіанти триточкових генераторів (рис. 9).
а) б)
Рис. 9. Схеми триточкових генераторів
Схему, представлену на малюнку 9, а називають індуктивною трехточкой, а на малюнку 8.46, б - ємнісний трехточкой.
Всі вищенаведені міркування і висновки справедливі і для триточкових автогенераторів, зібраних на лампі. Неважко зобразити і аналогічні схеми індуктивного та ємнісної трехточкі.
Слід підкреслити, що двухполюсник
Висновок
Кожна схема має свої переваги і недоліки. Поява нових схем обумовлено бажанням поліпшити ті чи інші властивості наявних схем. Наприклад, бажання отримати можливість незалежного регулювання частоти і амплітуди коливань на всіх більш високих частотах разом з певними конструктивними зручностями, отримати більш високу стабільність частоти і т. д. Однак одночасного поліпшення всіх властивостей, як правило, досягти не вдається в силу їх суперечливості, тому доводиться віддавати перевагу тій чи іншій схемі в залежності від умов застосування.
Література:
1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основи радіотехніки та електроніки. Частина 8, 2000р ..
2. Нікольський І. М., хопов В. Б., Варокосін Н. П., Григор'єв В. А., Колесников А. А. Нелінійні радіотехнічні пристрої зв'язку. 1972.