Базовые схемы режимов самовозбуждения (стр. 2 из 3)
Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.
Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 3) величину CБ выбирают из равенства
Автогенератор с трансформаторной обратной связью
Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 6).
Рис. 6. Автогенератор с трансформаторной обратной связью
Назначение элементов схемы:
1) транзистор VTp-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;
2) колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;
3) катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);
4) источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;
5) конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;
6) блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.
Физические процессы в генераторе.
При подключении источников питания ЕБ и ЕК эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток iК(t), который в начале замыкается от + ЕК через эмиттер – базу – коллектор транзистора и емкость СК на - ЕК, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор СК заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура LKGЭ и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через LК, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке LБ. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость СБ1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур LKCKGЭ, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка LБ включается встречно катушке LК. В этом случае напряжение на базе UБЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре UК) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W(+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W(-) на проводимости GЭ. Практически это достигается выбором М > МКР, где МКР – величина М, при которой выполняется равенство W(+) = W(-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура
поскольку при Q >> 1, величина коэффициента затухания d
Достоинства схемы: возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения СК) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.
Недостаток схемы заключается в том, что на высоких частотах затруднена регулировка амплитуды колебаний из-за влияния паразитной емкости между катушками LK и LБ, поэтому генераторы с трансформаторной обратной связью применяются в диапазонах длинных и средних волн (ДВ и СВ).
При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.
Пример
Автогенератор с трансформаторной обратной связью (рис. 6) имеет параметры контура LK = 3 мкГн, СК = 90 пФ, GЭ = 25 Ом.
Определить частоту собственных затухающих колебаний колебательного контура w1, резонансную частоту w0 и добротность Q колебательного контура.
Решение задачи.
Поскольку включение катушек LБ и LK произведено встречно, что обеспечивает противофазное изменение напряжений на базе и коллекторе транзистора, то фазовое условие самовозбуждения выполнено. Амплитудное условие самовозбуждения будет достигнуто выбором М > МКР.
Для определения режима свободных колебаний в контуре рассчитаем его параметры.
Частота собственных колебаний контура определяется выражением
Для ее определения вычислим резонансную частоту контура и коэффициент затухания контура:
Отсюда
Добротность контура вычислим по формуле
Как видно из приведенных расчетов, частота собственных колебаний и резонансная частота контура, при добротности Q >> 1, практически совпадает (квазиколебательный режим), что подтверждает теоретические положения.
Автогенератор на туннельном диоде
Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода – типа N(рис. 7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току (рис. 8.44 б), а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 7).
а) б)
Рис.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде
Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника Ri. Для этого необходимо решить систему двух уравнений:
Графическое решение системы показано на рисунке 8.44 а.
Рассмотрим два случая.
В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S(U0)| > 1/Ri, существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы – точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).
Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S(U0)| < 1/Ri, существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям – точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S(U0)| > GЭ, где GЭ – проводимость контура в точках подключения диода.
Частота колебаний равна
и может изменяться с помощью СК. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L1 и L2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен
Если же катушки L1 и L2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным
где n1 и n2 – число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L1 и L2.
Блокировочная емкость СБ выбирается из условия
