Abhängig von den Werten der konstanten Versorgungsspannungen, die den Elektroden des Verstärkungselements zugeführt werden, und vom Koeffizienten K 0. Es gibt zwei mögliche Arten der Selbsterregung: sanft und hart.

Im sanften Selbsterregungsmodus wird der Arbeitspunkt A im linearen Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements ausgewählt (Abbildung 9.1a), was den anfänglichen Betriebsmodus des Verstärkungselements ohne Unterbrechung des Ausgangsstroms gewährleistet. Unter diesen Bedingungen entsteht Selbsterregung durch kleinste Änderungen der Eingangsspannung, die unter realen Bedingungen aufgrund von Ladungsträgerschwankungen immer vorhanden sind.

Die Schwingungen im Autogenerator nehmen zunächst relativ schnell zu. Aufgrund der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements verlangsamt sich dann das Wachstum der Schwingungsamplitude, da die Spannung an seinem Eingang auf Abschnitte der Strom-Spannungs-Kennlinie mit zunehmend geringerer statischer Steigung fällt, und zwar führt zu einer Verringerung der durchschnittlichen Steigung Durchschn und Transmissionskoeffizient K 0s Rückkopplungsschaltungen.

Abbildung 9.1 – Diagramme zur Erläuterung der Selbsterregungsmodi.

Die Schwingungen nehmen zu, bis der Übertragungskoeffizient auf eins sinkt. Dadurch stellt sich im Selbstoszillator ein stationärer Modus ein, der einer bestimmten Amplitude der Ausgangsschwingungen entspricht und der Abschaltwinkel des Ausgangsstroms 0 > 90° beträgt. Die Frequenz dieser Schwingungen liegt sehr nahe an der Resonanzfrequenz des Schwingsystems. Beachten wir: Wenn das Verstärkerelement eine lineare Strom-Spannungs-Kennlinie hätte, würde die Amplitude der Eigenschwingungen bis ins Unendliche ansteigen, was physikalisch unmöglich ist. Daher in lineare Schaltung Es ist unmöglich, stabile Eigenschwingungen mit konstanter Amplitude zu erhalten.

Aufgrund der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie ist die Form des Ausgangsstroms des Verstärkungselements nicht sinusförmig. Bei ausreichend hoher Güte (Q = 50...200) des Schwingsystems stellt die erste Harmonische dieses Stroms und damit auch die Spannung am Ausgang des Selbstoszillators nahezu harmonische Schwingungen dar.

9.5 Harter Selbsterregungsmodus

In diesem Modus wird die Vorspannung so eingestellt, dass bei kleinen Amplituden der Eingangsspannung der Strom nicht durch das Verstärkungselement fließt. Dann können geringfügige Schwingungen, die im Stromkreis auftreten, keinen Strom im Ausgangsstromkreis verursachen und es kommt nicht zu einer Selbsterregung des Selbstoszillators. Schwingungen treten nur dann auf, wenn ihre Anfangsamplitude ausreichend groß ist, was nicht immer gewährleistet werden kann. Der Prozess des Auftretens und Wachstums von Schwingungen im harten Selbsterregungsmodus ist in Abbildung 9.1, b dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei kleinen Anfangsamplituden der Eingangsspannung (Kurve 1) der Strom ansteigt iout = 0 und Eigenschwingungen treten nicht auf. Sie entstehen erst bei ausreichend großer Anfangsspannungsamplitude (Kurve 2) und steigen schnell auf einen stationären Wert an. Im stationären Modus arbeitet das Verstärkungselement bei Abschaltwinkeln des Ausgangsstroms<90°.

Für eine einfachere Bedienung des Autogenerators ist es ratsamer, einen sanften Selbsterregungsmodus zu verwenden, da in diesem Modus unmittelbar nach dem Einschalten der Stromquelle Schwingungen auftreten. Allerdings in einem starren Schwingungsmodus mit einem Grenzwinkel<90° обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режи­ме автогенератора более выгоден имен­но режим с малыми углами отсеч­ки выходного тока усилительного эле­мента.

Generatorklassifizierung

Generator ist ein Gerät, das die Energie einer Gleichstromquelle in die Energie elektromagnetischer Schwingungen mit bestimmten Parametern umwandelt.

Die Hauptparameter von Schwingungen sind: Amplitude, Frequenz und Form.

Die Hauptanforderung an Generatoren ist die Stabilität ihres Betriebs unter Einwirkung destabilisierender Faktoren, d. h. die Stabilität der Parameter der erzeugten Schwingungen.

Generatoren werden in der Kommunikationstechnik häufig eingesetzt. Sie werden zur Erzeugung von Testsignalen, Synchronisationssignalen, Servicesignalen, Referenzschwingungen usw. verwendet.

Eine herkömmliche grafische Darstellung der Generatoren ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 – Symbolische grafische Bezeichnung von Generatoren: a) harmonische Schwingungen, b) Folgen von Rechteckimpulsen, c) Folgen von Sägezahnimpulsen.

Die Klassifizierung der Generatoren ist in Abbildung 2 dargestellt.

Elektrisch sind Generatoren, die die Energie einer Gleichstromquelle direkt in Schwingungsenergie umwandeln.

Elektromechanisch sind Generatoren, bei denen die Frequenz der erzeugten Schwingungen durch die Frequenz mechanischer Schwingungen bestimmter Materialien (Quarzplatte) eingestellt wird.

In Generatoren mit innere Aufregung oder mit Selbsterregung Schwingungen werden durch eine interne Energiequelle erzeugt.

Abbildung 2 – Klassifizierung von Generatoren

In Generatoren mit äußere Stimulation Die Schwingungsbildung erfolgt aus einer anderen an ihrem Eingang ankommenden Schwingung (Vervielfachung und Division der Frequenz).

Entspannungsgeneratoren oder Multivibratoren Schwingungen nichtharmonischer Form bilden (Folgen von rechteckigen, dreieckigen, sägezahnförmigen, glockenförmigen usw. Impulsen).

Harmonisch oder quasiharmonisch Generatoren erzeugen harmonische Schwingungen.

IN R.C.-Generatoren Als selektive Schaltung werden RC-Filter eingesetzt.

IN L.C.-Generatoren Als Selektivschaltung wird ein Parallelschwingkreis verwendet.

IN Punkt-zu-PunktL.C.-Generatoren der Schwingkreis ist an zwei Punkten mit dem Verstärkungselement verbunden und in DreipunktL.C.-Autogeneratoren? drei Punkte.

Verallgemeinertes Blockdiagramm eines harmonischen Selbstoszillators

Lassen Sie uns ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines harmonischen Selbstoszillators erstellen. Da es sich um einen Selbstoszillator handelt, muss er über eine interne Stromquelle (PS) verfügen. Um harmonische Schwingungen zu erzeugen, muss der Generator einen Stromkreis enthalten, in dem Schwingungen auftreten können. Ein solcher Schaltkreis ist ein Schwingkreis, der auch die Funktionen eines selektiven Schaltkreises (IC) übernimmt. Der selektive Schaltkreis bestimmt die Frequenz der erzeugten Schwingungen und deren Form. Unter dem Gesichtspunkt des Auftretens von Schwingungen ist ein Schwingkreis ausreichend, der Schwingkreis ist jedoch ein passiver Kreis und weist daher einen positiven aktiven Widerstand Rts auf. Bei Vorhandensein dieses Widerstands sowie des Widerstands der Last Rн, in die die Schwingungen eingeleitet werden, werden die vom Generator erzeugten Schwingungen gedämpft. Daher ist es notwendig, ein Element mit negativem Wirkwiderstand in den Oszillatorkreis einzubauen; bekanntlich ist ein Element mit negativem Wirkwiderstand eine Wechselstromquelle und daher ein aktives (verstärkendes) Element (EA). Der Widerstand des Verstärkungselements Rue muss alle Energieverluste in den passiven Stromkreisen des Generators und der Last vollständig kompensieren. Es ist auch notwendig, in den Oszillator eine Schaltung einzubauen, mit deren Hilfe ein Teil der Schwingungen vom Ausgang des Generators in das Verstärkungselement fließt, um Verluste auszugleichen, d.h. es ist eine Schaltung erforderlich Rückmeldung(Betriebssystem). Auch diese Schaltung ist passiv und hat einen positiven aktiven Widerstand Roc. Somit erhalten wir ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines harmonischen Selbstoszillators (Abbildung 3).

Abbildung 3 – Verallgemeinertes Blockdiagramm eines harmonischen Selbstoszillators

Im stationären Betriebsmodus des Autogenerators muss der positive Wirkwiderstand der passiven Elemente des Generators und der Last vollständig durch den negativen Widerstand des Verstärkungselements kompensiert werden, d.h.

Ric+ROS+RN— Rue=0 (1)

Der Vorgang der Schwingungsanregung in einem Selbstoszillator

Betrachten wir den Prozess der Schwingungsanregung in einem Selbstoszillator (Abbildung 3). Beim Einschalten der Stromquelle werden in den Oszillatorkreisen Stromschwankungen (Schwankungsrauschen) beobachtet. Das Spektrum dieses Rauschens enthält Komponenten bei allen Frequenzen. Aus diesem Spektrum wird mithilfe einer selektiven Schaltung die Komponente mit der Erzeugungsfrequenz fg isoliert. Die resultierende Schwingung am Ausgang des IC wird über die Rückkopplungsschaltung dem Verstärkerelement zugeführt, wo die Schwingung verstärkt wird, die wiederum dem IC zugeführt wird usw. Die Amplitude der Schwingungen nimmt bis zu einem bestimmten Punkt zu es stabilisiert sich, und auch die Frequenz und Form der Schwingungen werden stabilisiert. Beim Betrieb des Autogenerators werden zwei Betriebsarten unterschieden: transient und stationär. Übergangsmodus Der Betrieb des Generators dauert vom Einschalten des Generators bis zur Stabilisierung der Schwingungsparameter. Stationärer Modus Der Betrieb dauert von der Stabilisierung der Schwingungsparameter bis zum Abschalten des Generators (Abbildung 4).

Abbildung 4 – Betriebsmodi des Autogenerators

Bedingungen für die Selbsterregung eines Selbstoszillators

Um die Bedingungen für die Selbsterregung eines Selbstoszillators zu bestimmen, ist es notwendig, seine Gleichung zu berücksichtigen.

Der Transmissionskoeffizient des Selbstoszillators wird durch den Ausdruck bestimmt

KP=Kus? Kos (2)

wobei Kp der komplexe Wert des Oszillator-Übertragungskoeffizienten ist;

Kus ist der komplexe Wert der Verstärkerverstärkung;

Kos— komplexer Wert des Rückkopplungskoeffizienten.

Wenn wir den Rückkopplungskreis öffnen, hat der Ausdruck für die Verstärkung die Form

Kus= Ähaus/ ÄhEingang=Kuse JJSchnurrbart (3)

wobei Um in die komplexe Amplitude der Verstärkereingangsspannung ist;

Um out – komplexe Amplitude der Verstärkerausgangsspannung;

Kus - Verstärkungsmodul:

j ус ist das Argument des Verstärkungsmoduls.

Das Verstärkungsmodul ist gleich

Kus=Ähaus/ ÄhEingang (4)

j ус berücksichtigt die Phasenverschiebung zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Verstärkers. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich ist, umfasst der Verstärker ein Verstärkungselement und eine selektive Schaltung. Nehmen wir an, dass als selektives System ein Parallelschwingkreis mit dem Widerstand Rres verwendet wird. Dann

Ähaus= Ich bin 1 ? Rres (5)

Wo ist ich 1? Amplitude der ersten Harmonischen des Ausgangsstroms des Verstärkungselements.

Es besteht eine Beziehung zwischen Im 1 und Um in, die durch den Ausdruck bestimmt wird

Ich bin 1 = SHeiraten? ÄhEingang (6)

Dabei ist Sav die durchschnittliche Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements

Wenn wir den Wert Im 1 aus (6) in (5) einsetzen, erhalten wir

Ähaus= SHeiraten? ÄhEingang? Rres (7)

Dann ist der Modul der Verstärkerverstärkung unter Berücksichtigung von (4) und (7) gleich

Kus=Ähaus/ ÄhEingang= SHeiraten? ÄhEingang? Rres/ÄhEingang= SHeiraten? Rres(8)

Wenn man bedenkt, dass j gleich sein wird

JSchnurrbart=JÄh+ Jic (9)

wobei j ue die durch das verstärkende Element eingeführte Phasenverschiebung ist;

j ic ist die durch die selektive Schaltung eingeführte Phasenverschiebung.

Unter Berücksichtigung der Ausdrücke (3), (8) und (9) ist die Verstärkerverstärkung gleich

Kus= SHeiraten? Rrese J (Jue+Jic) (10)

Der Übertragungskoeffizient des Rückkopplungskreises ist gleich

Kos = Um in x / Um out = Kos e j joc (11)

wobei Kos der Modul des Übertragungskoeffizienten der Rückkopplungsschaltung ist;

j os ist das Argument des Moduls des Übertragungskoeffizienten der Rückkopplungsschaltung.

j os berücksichtigt die Phasenverschiebung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen des Rückkopplungskreises.

Basierend auf den Ausdrücken (2), (10) und (11) können wir somit den Übertragungskoeffizienten des Selbstoszillators im stationären Modus (mit konstanten Parametern) bei der Erzeugung von Sinusschwingungen aufschreiben

KP=Kus? Kos= SHeiraten? Rres? Kose J (Jue+Jic+JBetriebssystem)=1 (12)

Ausdruck (12) ist Selbstoszillatorgleichung. Nach dieser Gleichung Der Übertragungskoeffizient des Autogenerators im stationären Modus muss gleich eins sein.

Die Selbstoszillatorgleichung drückt die Bedingungen für die Selbsterregung des Selbstoszillators aus.

1. Zustand des Amplitudengleichgewichts

KP= SHeiraten? Rres? Kos=1 (13)

Der Übertragungskoeffizient entlang des geschlossenen Rings des Generators muss gleich eins sein. Das heißt, die gesamte Energie, die für die passiven Elemente des Generators und der Last aufgewendet wird, muss vollständig durch die Nachspeiseenergie des Verstärkerelements kompensiert werden.

Die Abestimmt die stationäre Amplitude von Schwingungen.

2. Zustand des Phasengleichgewichts

JSchnurrbart=JÄh+ Jic+ JBetriebssystem=0 oder k2 P, Wok=1, 2, 3, … (14)

Die gesamte Phasenverschiebung in einem geschlossenen Ring eines Selbstoszillators muss Null oder ein Vielfaches von 2 seinP (360 ° ). Das heißt, die Nachschubenergie des Verstärkungselements muss phasengleich zu den bereits vorhandenen Schwingungen zugeführt werden. Um diese Bedingung zu erfüllen, muss der Rückkopplungskreis des Selbstoszillators sein positiv. Da bei den meisten Selbstoszillatoren die Phasengleichgewichtsbedingung nur bei einer Frequenz erfüllt ist, bestimmt diese Bedingung die Erzeugungsfrequenz.

Selbsterregungsmodi des Autogenerators

Abhängig von den Werten der konstanten Versorgungsspannungen, die den Elektroden des Verstärkungselements zugeführt werden, und vom KOS-Koeffizienten sind zwei Selbsterregungsmodi möglich: weich und hart.

Bei sanfter Selbsterregungsmodus Die Lage des Arbeitspunktes (A) wird auf dem linearen Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements eingestellt (Abbildung 5). In diesem Fall wird der anfängliche Betriebsmodus des Verstärkungselements sichergestellt, ohne den Ausgangsstrom zu unterbrechen. In diesem Modus tritt Selbsterregung bereits bei geringfügigen Änderungen der Eingangsspannung auf, die aufgrund von Ladungsträgerschwankungen immer zu beobachten sind. Somit treten bereits bei geringfügigen Änderungen der Eingangsspannung sofort Schwingungen am Ausgang des Verstärkungselements auf, was ein Vorteil dieses Selbsterregungsmodus ist. Die Schwingungsamplitude am Generatorausgang nimmt gleichmäßig zu. Im stationären Modus kann das Verstärkungselement ohne Abschaltung oder mit Abschaltung des Ausgangsstroms arbeiten, und im zweiten Fall ist der Abschaltwinkel des Ausgangsstroms Q (halbe Ausgangsstromimpulsdauer) größer als 90°. Das Fehlen einer Abschaltung oder ein großer Abschaltwinkel führt zu einer Verringerung des Leistungskoeffizienten (COP) des Generators, was ein Nachteil dieses Modus ist.

Abbildung 5 – Diagramme zur Erläuterung des sanften Modus der Selbsterregung

Bei schwerer Selbsterregungsmodus die Lage des Arbeitspunktes wird außerhalb der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements eingestellt (Abbildung 6). Dies führt dazu, dass das Verstärkungselement ständig im Ausgangsstrom-Abschaltmodus arbeitet, wodurch Schwingungen am Ausgang des Elements erst dann auftreten, wenn die Amplitude der Eingangsspannung u(t) einen bestimmten Wert U n überschreitet. Wenn dieser Wert (u(t)?U n) überschritten wird, wird das Verstärkungselement entsperrt und an seinem Ausgang treten Schwingungen auf. Darüber hinaus nimmt die Amplitude dieser Schwingungen schnell zu. Ein Nachteil des starren Selbsterregungsmodus ist die Notwendigkeit einer bestimmten Spannung am Eingang des Verstärkungselements, damit an seinem Ausgang Schwingungen auftreten.

In diesem Selbsterregungsmodus beträgt der Abschaltwinkel des Ausgangsstroms weniger als 90°. Das Vorhandensein eines kleinen Abschaltwinkels erhöht die Effizienz des Generators, was ein Vorteil dieses Modus ist.

Abbildung 6 – Diagramme zur Erläuterung des harten Selbsterregungsmodus

Wie Sie sehen, hat der weiche Modus der Selbsterregung die Vorteile, die der harte Modus nicht hat, und der harte Modus hat die Vorteile, die der weiche Modus nicht hat. Daher werden in der Praxis bei einigen Generatortypen (insbesondere LC-Generatoren) beide Modi verwendet: Beim Einschalten des Generators und während des Übergangsmodus arbeitet der Generator in einem sanften Selbsterregungsmodus und beim Übergang in In einem stationären Betriebsmodus wird der Generator in einen harten Selbsterregungsmodus geschaltet.

Eigenschaften des Autogenerators

Oszillatorische Charakteristik stellt die Abhängigkeit der Amplitude der ersten Harmonischen des Ausgangsstroms des Verstärkerelements Im 1 von der Amplitude der Eingangsspannung Um in bei konstanter Vorspannung U 0 und offenem Rückkopplungskreis dar.

Diese Eigenschaften sind nichtlinearer Natur, da das Verstärkungselement nichtlinear ist, und hängen vom Selbsterregungsmodus des Generators ab. Abbildung 7, a zeigt die Schwingungscharakteristik des Generators im sanften Selbsterregungsmodus und Abbildung 7, b? in einem starken Selbsterregungsmodus.

Abbildung 7 – Schwingungseigenschaften des Selbstoszillators

Feedback-Linien stellen die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Rückkopplungskreises Um out von der Amplitude der ersten Harmonischen des Eingangsstroms Im 1 dar.

Da die Ausgangsspannung der Rückkopplungsschaltung die Eingangsspannung des Verstärkungselements ist und der Eingangsstrom der Rückkopplungsschaltung der Ausgangsstrom des Verstärkers ist, ist es bequemer, die Rückkopplungsleitungen relativ zum Verstärker als Abhängigkeit von darzustellen Die Eingangsspannung des Verstärkungselements hängt von der Amplitude der ersten Harmonischen des Ausgangsstroms ab (Abbildung 8).

Abbildung 8 – Feedback-Leitungen

Rückkopplungsleitungen drücken eine lineare Beziehung aus, da es sich bei der Rückkopplungsschaltung um eine lineare Schaltung handelt. Die Steigung der Linien hängt vom Rückkopplungskoeffizienten Kos ab. Je größer Kos, d. h. je stärker die Rückkopplung, desto kleiner ist der Neigungswinkel gegenüber der Um in-Achse, zum Beispiel in Abbildung 8: Kos 1<Кос 2 <Кос 3 .

Bestimmung der stationären Schwingungsamplitude

Aus Abschnitt 1.6 folgt, dass in einem Selbstoszillator gleichzeitig lineare (Rückkopplungslinien) und nichtlineare (Schwingungscharakteristik) Abhängigkeiten bestehen. Im stationären Betriebsmodus des Selbstoszillators müssen die Spannungsamplitude Um in und die entsprechende Stromamplitude Im 1 des Verstärkungselements gleichzeitig diese beiden Abhängigkeiten erfüllen. Dies ist nur an den Schnittpunkten der Schwingungskennlinie mit der Rückkopplungsleitung möglich. Betrachten wir den Prozess der Bestimmung der stationären Amplitude von Schwingungen in verschiedenen Modi der Selbsterregung.

Sanfter Selbsterregungsmodus.

Um die im Autogenerator ablaufenden Prozesse zu analysieren, werden wir seine beiden Eigenschaften auf derselben Koordinatenachse und im gleichen Maßstab darstellen (Abbildung 9).

Die Abbildung zeigt zwei Rückkopplungslinien mit unterschiedlichen Rückkopplungskoeffizienten Kos 1 und Kos 2 und Kos 1<Кос 2 . При Кос 1 колебания отсутствуют, т. к. колебательная характеристика и линия обратной связи имеют одну общую точку 0, а значит Um вх =0 и Im 1 =0. При Кос 2 колебательная характеристика и линия обратной связи имеет две общие точки 0 и В. Поскольку, как отмечалось выше, в точке 0 колебания не возможны, то устойчивые колебания возможны только в точке В при напряжении равном Um вхВ и соответствующем ему током Im 1В. Точка В является stabiler Gleichgewichtspunkt und entspricht dem stationären Betriebsmodus des Generators. Am Punkt des stabilen Gleichgewichts besteht ein Gleichgewicht zwischen der Energie der Wiederauffüllung des verstärkenden Elements und der Energie der Verluste. Diesen Punkt erreicht der Generator im Zuge der Selbsterregung. Aufgrund des Einflusses verschiedener destabilisierender Faktoren auf den Generator kann dieser einen stabilen Gleichgewichtszustand verlassen, die Amplitude der Schwingungen tendiert jedoch dazu, zum stabilen Gleichgewichtspunkt zurückzukehren. Betrachten wir in diesem Fall die im Autogenerator ablaufenden Prozesse.

Nehmen wir an, dass die Spannung am Eingang des Verstärkungselements auf den Wert Um inxC gesunken ist. Diese Spannung verursacht einen Strom Im 1 C im Ausgangskreis des Generators. Dieser Strom erhöht aufgrund der Rückkopplung die Spannung am Eingang des Elements auf Um in D, was wiederum zu einem Anstieg des Stroms auf Im 1 D führt. Dieser Strom führt zu einem Spannungsanstieg usw. Dies geschieht, bis die Amplitude der Schwingungen die Werte von Punkt B erreicht. Wenn die Amplitude der Schwingungen unter dem Einfluss destabilisierender Faktoren auf den Wert Um inxE ansteigt , dann findet der umgekehrte Vorgang statt, d.h. das heißt, der durch diese Spannung verursachte Strom Im 1 E führt aufgrund der Rückkopplung zu einer Abnahme der Eingangsspannung Um usw., bis die Amplitude der Schwingungen wieder auf den Wert zurückkehrt Wert von Punkt B.

Starker Selbsterregungsmodus.

In diesem Modus haben die Schwingungscharakteristik und die Rückkopplungsleitung drei gemeinsame Punkte 0, A und B (Abbildung 10).

Abbildung 10 Bestimmung der stationären Schwingungsamplitude im Hard-Modus

Am Punkt 0 kann es keine Schwingungen geben. Analysieren wir Punkt A. Die Reduzierung der Schwingungsamplitude am Eingang des Verstärkungselements auf Um inC führt zu einem Strom im Ausgangskreis Im 1C, was wiederum zu einer Abnahme der Spannung Um in führt, diese Spannung führt zu einer Abnahme im Strom bin ich 1 usw. bis die Schwingungen nachlassen. Wenn die Spannung am Eingang des Verstärkungselements auf den Wert Um in D ansteigt, dann erhöht sich die Amplitude der Schwingungen auf den Wert von Punkt B. Somit ist Punkt A Punkt des instabilen Gleichgewichts An diesem Punkt können Schwingungen vorhanden sein, aber wenn sich ihre Amplitude ändert, sterben sie entweder aus oder ihre Amplitude nimmt zu. Wenn wir Punkt B analysieren, stellt sich heraus, dass es sich um einen Punkt mit stabilem Gleichgewicht handelt.

Der Selbsterregungsmodus, bei dem nach dem Einschalten der Stromquelle die Schwingungen allmählich zunehmen, wird als weiche Selbsterregung bezeichnet. Wenn jedoch ein zusätzlicher Einfluss erforderlich ist, um die Schwingungen anzuregen, wird dieser Modus als hart bezeichnet.

Reis. 13.2. Änderung der Steigung im sanften Selbsterregungsmodus

Die Implementierung eines sanften Selbsterregungsmodus kann durch geeignete Wahl der Vorspannung im Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors mit hoher Transkonduktanz erreicht werden.

Dieser Modus entspricht der Abhängigkeit S=f(U mb) der folgenden Form, dargestellt in Abb. 13.2.

In derselben Abb. Es wurde eine direkte Linie gezogen
. Für den Schnittpunkt der Diagramme ist die Amplitudengleichungsgleichung erfüllt und die stationäre Amplitude der Schwingung ist gleich
. Im Soft-Modus ist der stationäre Modus stabil, während der Ruhemodus instabil ist. Daher kommt es zu einer Selbsterregung des Selbstoszillators.

Ein charakteristisches Merkmal des Hard-Modus besteht darin, dass kleine Schwankungen am Transistoreingang keine Selbsterregung des Selbstoszillators verursachen können; Selbsterregung ist nur mit einer großen Anfangsspannungsamplitude möglich. Dieser Modus wird durch Anlegen einer Sperrvorspannung an das UE implementiert, bei der kleine Amplituden der Eingangsspannung keinen Strom im Ausgangskreis des UE verursachen können.

Dieser Modus ist durch die folgende Abhängigkeit S=f(U mb) gekennzeichnet, dargestellt in Abb. 13.3.

Reis. 13.3. Änderung der Steigung im harten Selbsterregungsmodus

Modus, der der Schwingungsamplitude entspricht
, ist stabil und der Modus entspricht der Amplitude
, instabil.

13.3. Äquivalente Dreipunkt-Oszillatorschaltungen

Die einfachsten Selbsterzeuger in der Konfiguration sind Selbsterzeuger, die nach einer Dreipunktschaltung arbeiten. Bei solchen Selbstoszillatoren ist der Transistor mit seinen drei Anschlüssen an drei Punkte eines Schwingkreises angeschlossen, der aus drei reaktiven Elementen besteht.

Eine verallgemeinerte Dreipunkt-Oszillatorschaltung ist in Abb. dargestellt. 13.4.

Reis. 13.4. Verallgemeinertes Ersatzschaltbild eines Selbstoszillators

Damit Selbstschwingungen auftreten, ist Folgendes erforderlich:

Je nachdem, welche reaktiven Elemente im Stromkreis quantitativ überwiegen, werden Selbstoszillatoren unterschieden, die nach den induktiven (Abb. 13.5) und kapazitiven (Abb. 13.6) Dreipunktschaltungen aufgebaut sind.

Induktiver Dreipunkt:

Reis. 13.5. Induktiver Dreipunkt

,
,
.

Kapazitiver Dreipunkt:

Reis. 13.6. Kapazitiver Dreipunkt

- Frequenz der erzeugten Schwingungen.

,
,
.

Rückkopplungskoeffizient durch Dreipunkt-Schaltungselemente:

.

Für induktiven Dreipunkt:
.

Für kapazitiven Dreipunkt:
.

Klatschschaltung

In einer modifizierten kapazitiven Dreipunktschaltung wird eine höhere Frequenzstabilität erreicht (Abb. 13.7).

Reis. 13.7. Klatschschema

Die Einführung des Kondensators C 3 verringert den Einschaltfaktor des Transistors in die Schaltung und verringert so die destabilisierende Wirkung seiner Parameter auf die Frequenz des Selbstoszillators.

, Wo
.

Bei allen Schaltungen ist der Stromkreis teilweise mit dem Kollektorkreis des Transistors verbunden.

Der Einbeziehungskoeffizient des Kreislaufs in den Kollektorkreislauf:

Äquivalenter Kollektorkreiswiderstand:
.

ANALYSE DER SELBSTREGERUNGSMODI. GRUNDSCHEMA

Einführung

Vergleichende Analyse der Selbsterregungsmodi des Generators

Autogenerator mit Transformatorrückführung

Selbstoszillator basierend auf einer Tunneldiode

Verallgemeinerte Schaltung eines Dreipunktgenerators

Abschluss

Literatur

Einführung

Nachdem eine vergleichende Analyse der Selbsterregungsmodi eines Selbstoszillators durchgeführt und die Vor- und Nachteile dieser Modi festgestellt wurden, ist es notwendig, sich auf die Kombination ihrer Vorteile in der automatischen Vorspannung zu konzentrieren, indem spezifische Schemata für deren Bereitstellung analysiert werden.

Bei der Betrachtung der Grundschaltungen von Selbstoszillatoren mit Transformatoren und Tunneldioden sollte besonderes Augenmerk auf das Verständnis der Studierenden für die physikalischen Prozesse gelegt werden, die bei der Selbsterregung und dem Betrieb von Generatoren ablaufen, und sich auch auf die untersuchten theoretischen Grundlagen der Selbstoszillatoren stützen. Schwingungen.

Das erste Patent für eine Dreipunktschaltung wurde dem Ingenieur des amerikanischen Unternehmens Western Electric, R. Hartley (1975), erteilt, dessen Name in der Fachliteratur der Funktechnik erwähnt wird. Dies ist ein induktiver Dreipunkt. In einer Hartley-Schaltung wird die Rückkopplung geändert, indem der Kathodenbefestigungspunkt entlang der Windungen der Induktivität der Schaltung verschoben wird. 1918 patentierte ein Ingenieur derselben Firma, E. Colpitz, eine Röhrenoszillatorschaltung mit kapazitiver Rückkopplung. Die Hartley- und Colpitts-Schaltungen sind die Grundschaltungen von Selbstoszillatoren und die Prototypen aller historisch späteren Selbstoszillatoren.

Am Ende des Ersten Weltkriegs wurde versucht, Intralampenkondensatoren in Röhrentechnik zur Erzeugung kontinuierlicher Schwingungen einzusetzen. Hier erwies sich die positive Rückkopplung durch die Mesh-Anoden-Kapazität der Triode, mit der man bei Radioempfängern zu kämpfen hatte, als nützlich. Einer der frühen Schaltkreise dieser Art hatte zwei Schaltkreise – einen im Anodenkreis, den anderen im Gitterkreis – und entsprach einem induktiven Dreipunkt. Schwingungen traten auf, wenn die Schaltkreise relativ zur Erzeugungsfrequenz etwas verstimmt waren und induktive Reaktanzen aufwiesen. Dieses Schema fand in den 20er Jahren Anwendung auf Kurzwellen in der Amateurfunkpraxis. Später erschienen andere Versionen von Zweikreisgeneratoren. Es ist wichtig zu betonen, dass sie alle entweder auf induktive oder kapazitive Dreipunktsysteme hinausliefen. Die Prinzipien des Aufbaus von Röhrenoszillatoren sind bis heute erhalten geblieben, obwohl die Elementbasis weit fortgeschritten ist (von Röhrentrioden zu integrierten Schaltkreisen).

Vergleichende Analyse der Selbsterregungsmodi des Generators

Lassen Sie uns eine vergleichende Analyse der Selbsterregungsmodi durchführen und dabei verschiedene Eigenschaften des Selbstoszillators verwenden.

Soft-Modus.

ich K ( u BE) mit der größten Steilheit, dann wird der Selbsterregungsmodus als weich bezeichnet.

Lassen Sie uns Änderungen in der Amplitude des Stroms der ersten Harmonischen in Abhängigkeit vom Wert des Rückkopplungskoeffizienten verfolgen ZU Betriebssystem. Ändern ZU Die Rückkopplung führt zu einer Änderung der Steigung a der direkten Rückkopplung (Abb. 1)

Reis. 1 Sanfter Selbsterregungsmodus

Bei ZU Betriebssystem = ZU OS1 ist ein stabiler Ruhezustand und der Generator ist nicht erregt, die Schwingungsamplitude ist Null (Abb. 1 b). Größe ZU Betriebssystem = ZU OS2 = ZU Der CR ist die Grenze (kritisch) zwischen Stabilität und Instabilität des Ruhezustands. Bei ZU Betriebssystem = ZU OS3 > ZU KR Der Ruhezustand ist instabil, der Generator wird erregt und der Wert Ich bin 1 wird auf den entsprechenden Punkt A gesetzt. Mit zunehmender ZU OS steigt der Wert der ersten Harmonischen des Ausgangsstroms allmählich an ZU Betriebssystem = ZU OS4 wird an Punkt B eingerichtet. Beim Abnehmen ZU Die OS-Amplitude der Schwingungen nimmt entlang der gleichen Kurve ab und die Schwingungen brechen beim Rückkopplungskoeffizienten zusammen ZU Betriebssystem = ZU OS2< ZU KR.

Als Schlussfolgerungen können die folgenden Merkmale des weichen Selbsterregungsmodus festgestellt werden:

Für die Anregung ist kein großer Rückkopplungskoeffizient erforderlich ZU Betriebssystem;

Anregung und Störung von Schwingungen erfolgen bei gleichem Wert des Rückkopplungskoeffizienten ZU KR;

Durch Ändern des Werts des Rückkopplungskoeffizienten ist es möglich, die Amplitude stationärer Schwingungen stufenlos anzupassen ZU Betriebssystem;

Als Nachteil ist der große Wert des Konstantanteils des Kollektorstroms zu vermerken, der zu einem niedrigen Wirkungsgrad führt.

Harter Modus.

Wenn der Betriebspunkt im charakteristischen Bereich liegt ich K= F (u BE) mit geringer Steigung S < S MAX, dann wird der Selbsterregungsmodus als hart bezeichnet.

Lassen Sie uns den Modus (ähnlich dem Modus der sanften Selbsterregung) anhand der Schwingungscharakteristik des Selbstoszillators analysieren Ich bin 1 = F (Äh BE) und Eigenschaften Ich bin 1 = F (ZU OS), dargestellt in den Abbildungen 2 a) und b).

Reis. 2 Harter Selbsterregungsmodus

Bei der Analyse der Schnittpunkte der Rückkopplungslinien mit der Schwingungscharakteristik kommen wir zu dem Schluss, dass der Selbstoszillator angeregt wird, wenn der Rückkopplungskoeffizient den Wert überschreitet ZU OS3 = ZU OSKR. Weitere Steigerung ZU OS führt zu einem leichten Anstieg der Amplitude der ersten Harmonischen des Ausgangsstroms (Kollektorstroms). Ich bin 1 entlang des Weges V-G-D. Verringern ZU Betriebssystem bis zu ZU OS1 führt nicht zu einem Zusammenbruch der Schwingungen, da die Punkte B und B stabil sind und Punkt A rechts stabil ist. Die Schwingungen brechen im Punkt A zusammen, also bei ZU Betriebssystem< ZU OS1, da Punkt A links instabil ist.

Somit können wir die folgenden Merkmale des Generatorbetriebs im harten Selbsterregungsmodus feststellen:

Selbsterregung erfordert einen großen Rückkopplungskoeffizienten ZU Betriebssystem;

Anregung und Störung von Schwingungen erfolgen schrittweise bei unterschiedlichen Werten des Rückkopplungskoeffizienten ZU Betriebssystem;

Die Amplitude stationärer Schwingungen kann sich nicht in großen Grenzen ändern;

Der Gleichanteil des Kollektorstroms ist geringer als im Soft-Modus, daher ist der Wirkungsgrad deutlich höher.

Beim Vergleich der positiven und negativen Aspekte der betrachteten Selbsterregungsmodi kommen wir zu einer allgemeinen Schlussfolgerung: Durch den Soft-Modus wird eine zuverlässige Selbsterregung des Generators gewährleistet, durch einen sparsamen Betrieb, einen hohen Wirkungsgrad und eine stabilere Schwingungsamplitude der Hard-Modus.

Der Wunsch, diese Vorteile zu kombinieren, führte zu der Idee, eine automatische Vorspannung zu verwenden, bei der der Generator in einem weichen Modus der Selbsterregung angeregt wird und sein Betrieb in einem harten Modus erfolgt. Das Wesentliche des automatischen Offsets wird im Folgenden erläutert.

Automatischer Offset.

Der Kern des Modus besteht darin, dass zur Sicherstellung der Anregung des Selbstoszillators im Soft-Modus die Anfangslage des Arbeitspunktes auf dem linearen Abschnitt der Strömungskennlinie mit maximaler Steilheit gewählt wird. Der Ersatzwiderstand des Stromkreises wird so gewählt, dass die Selbsterregungsbedingungen erfüllt sind. Beim Erhöhen der Schwingungsamplitude entsteht ein Modus Gleichstromändert sich automatisch und im stationären Zustand wird die Betriebsart auf Abschaltung des Ausgangsstroms (Kollektorstrom) eingestellt, d. h. der Selbstoszillator arbeitet im Abschnitt der Durchflusskennlinie mit geringer Steigung in einem harten Selbsterregungsmodus (Abb. 3).

Reis. 3 Das Prinzip der automatischen Verschiebung eines Selbstoszillators

Die automatische Vorspannung wird normalerweise aufgrund des Basisstroms durch Einbeziehung einer Kette in den Basisstromkreis erhalten R B C B (Abb. 4).

Reis. 4. Automatische Vorspannungsschaltung aufgrund des Basisstroms

Die anfängliche Vorspannung wird von der Spannungsquelle bereitgestellt E B. Mit zunehmender Schwingungsamplitude steigt die Spannung am Widerstand R B, erzeugt durch die konstante Komponente des Basisstroms ICH B0. Die resultierende Vorspannung ( E B - ICH B0 R B) gleichzeitig abnimmt, tendenziell E BST.

In praktischen Schaltungen wird die anfängliche Vorspannung mithilfe eines Basisteilers bereitgestellt R B1, R B2 (Abb. 5).

Reis. 5. Automatischer Versatz durch Basisteiler

In dieser Schaltung ist die anfängliche Vorspannung

Wo – Teilerstrom.

Mit zunehmender Schwingungsamplitude nimmt der konstante Anteil des Basisstroms zu ICH B 0 nimmt zu und die Verschiebung E Der Wert von B nimmt ab und erreicht den Wert E BST im stationären Zustand. Kondensator MIT B verhindert einen Kurzschluss des Widerstands R B1 für Gleichstrom.

Es ist zu beachten, dass die Einführung einer automatischen Vorspannungsschaltung in die Generatorschaltung zum Phänomen der intermittierenden Erzeugung führen kann. Der Grund für sein Auftreten ist die Verzögerung der automatischen Vorspannung im Verhältnis zum Anstieg der Schwingungsamplitude. Für eine große Zeitkonstante t = R B MIT B (Abb. 8.41) Schwingungen nehmen schnell zu, aber die Verschiebung bleibt praktisch unverändert - E B.START Darüber hinaus beginnt sich die Verschiebung zu ändern und kann unter dem kritischen Wert liegen, bei dem die Stationaritätsbedingungen noch erfüllt sind, und die Schwingungen werden zusammenbrechen. Nach dem Ausfall der Schwingungen sinkt die Kapazität MIT B wird sich langsam entladen R B und die Verschiebung wird wieder dazu tendieren E B.START Sobald die Steigung groß genug wird, wird der Generator wieder erregt. Weitere Prozesse werden wiederholt. Dadurch kommt es periodisch zu Schwingungen, die wieder abklingen.

Intermittierende Schwankungen gelten im Allgemeinen als unerwünschte Phänomene. Daher ist es sehr wichtig, die Elemente der automatischen Vorspannungsschaltung so zu berechnen, dass die Möglichkeit einer intermittierenden Erzeugung ausgeschlossen ist.

Um eine intermittierende Erzeugung im Stromkreis zu vermeiden (Abb. 3), wird der Wert C B wird aus Gleichheit gewählt

Autogenerator mit Transformatorrückführung

Betrachten wir eine vereinfachte Schaltung eines Transistor-Selbstoszillators für harmonische Schwingungen mit Transformatorrückkopplung (Abb. 6).

Reis. 6. Autogenerator mit Transformatorrückführung

Zweck der Schaltungselemente:

1) Transistor VT P - N - P Typ, fungiert als verstärkendes nichtlineares Element;

2) Schwingkreis L K C K G E stellt die Frequenz der Schwingungen des Generators ein und sorgt für deren harmonische Form, echte Leitfähigkeit G E charakterisiert Energieverluste im Stromkreis selbst und in der mit dem Stromkreis verbundenen externen Last;

3) Spule L B sorgt für eine positive Rückkopplung zwischen dem Kollektor- (Ausgangs-) und dem Basis- (Eingangs-) Schaltkreis; er ist induktiv mit der Schaltkreisspule gekoppelt L K (Koeffizient der gegenseitigen Induktion M);

4) Netzteile E B und E K sorgt für die notwendigen konstanten Spannungen an den Übergängen des Transistors, um den aktiven Betriebsmodus sicherzustellen;

5) Kondensator MIT P trennt den Generator und seine Gleichstromlast;

6) Blockkondensatoren MIT B1 und MIT B2-Shunt-Netzteile von Wechselstrom, ohne unnötige Energieverluste an ihren Innenwiderständen.

Physikalische Prozesse im Generator.

Beim Anschluss von Netzteilen E B und E Der Emitterübergang ist in Durchlassrichtung vorgespannt und es entsteht ein Kollektorstrom. ich K (t), das am Anfang von + abschließt E Durch den Emitter - Basis - Kollektor des Transistors und der Kapazität MIT K on - E K, da die Kapazität für die Stromdifferenz einen Kurzschluss darstellt. Kondensator MIT K lädt sich auf und beginnt sich dann über die Schaltkreiselemente zu entladen L K G Im Stromkreis treten E und freie Schwingungen auf. Oszillatorischer Strom fließt durch L K erzeugt eine EMK der gegenseitigen Induktion in der Spule L B. Diese EMF wird über die Kapazität an den Emitterübergang des Transistors angelegt MIT B1 und steuert die Basis- und Kollektorströme. Der Wechselanteil des Kollektorstroms, der durch den Stromkreis fließt: Kollektor, Stromkreis L K C K G E, Emitter, Basis, Kollektor, gleicht Energieverluste im Stromkreis aus und wenn die Bedingungen der Selbsterregung erfüllt sind, nimmt die Amplitude der Schwingungen darin zu. Der erste Zustand der Selbsterregung heißt Phase und wird dadurch erreicht, dass die Spule L B schaltet gegenüber der Spule ein L K. In diesem Fall die Spannung an der Basis U BE ändert sich gegenphasig zur Spannung am Kollektor (bzw. zur Spannung am Stromkreis). U K) und die Ausgangsleitfähigkeit des Transistors ist negativ. Das bedeutet, dass der Transistor eine Wechselstromquelle ist. Aber die Phasenbedingung allein reicht nicht aus; es ist auch notwendig, die Amplitudenbedingung der Selbsterregung zu erfüllen, also dass die Energie W(+), das vom Transistor in den Stromkreis gelangt, übersteigt den Energieverlust W(-) auf Leitfähigkeit G E. In der Praxis wird dies durch die Wahl von M > M KR erreicht, wobei M KR der Wert von M ist, bei dem die Gleichheit erfüllt ist W (+) = W(-). Die Frequenz der erzeugten Schwingungen entspricht in etwa der Resonanzfrequenz des Schaltkreises

denn wann Q>> 1, der Wert des Dämpfungskoeffizienten d

Vorteile des Systems: Möglichkeit der stufenlosen, unabhängigen Frequenzanpassung (durch Änderung). MIT K) und Amplitude (durch Änderung von M) Schwingungen.

Bei der Berechnung der Parameter des Generators müssen die Frequenz der erzeugten Schwingungen, die Resonanzfrequenz des Stromkreises, der Gütefaktor des Stromkreises sowie die Erfüllung der Amplituden- und Phasenbedingungen der Selbsterregung bestimmt werden.

Beispiel

Ein Selbstoszillator mit Transformatorrückkopplung (Abb. 6) verfügt über Schaltungsparameter L K = 3 µH, MIT K = 90 pF, G E = 25 Ohm.

Bestimmen Sie die Frequenz der natürlichen gedämpften Schwingungen des Schwingkreises w 1, die Resonanzfrequenz w 0 und den Gütefaktor Q Schwingkreis.

Das Problem lösen.

Seit dem Einschalten der Spulen L B und L K entsteht im Zähler, der für eine gegenphasige Änderung der Spannungen an Basis und Kollektor des Transistors sorgt, dann ist die Phasenbedingung der Selbsterregung erfüllt. Die Amplitudenbedingung der Selbsterregung wird durch die Wahl von M > M KR erreicht.

Um die Art der freien Schwingungen im Stromkreis zu bestimmen, berechnen wir seine Parameter.

Die Frequenz der Eigenschwingungen des Stromkreises wird durch den Ausdruck bestimmt

Um es zu bestimmen, berechnen wir die Resonanzfrequenz des Stromkreises und den Dämpfungskoeffizienten des Stromkreises:

Wir berechnen den Gütefaktor der Schaltung anhand der Formel

Wie aus den obigen Berechnungen hervorgeht, stimmen die Frequenz der Eigenschwingungen und die Resonanzfrequenz des Stromkreises mit einem Gütefaktor Q >> 1 praktisch überein (quasi-oszillatorischer Modus), was die theoretischen Aussagen bestätigt.

Selbstoszillator basierend auf einer Tunneldiode

Historisch gesehen erschienen Tunneldioden viel später als Transistoren und Lampen. Kleine Abmessungen und geringes Gewicht, hohe Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz haben zu einer raschen Erweiterung ihres Anwendungsbereichs geführt. Strom-Spannungs-Kennlinie eines Tunneldiodentyps N(Abb. 7). Daher ist die Oszillatorschaltung einfach: An die Diode wird eine Parallelschaltung für Wechselstrom angeschlossen (Abb. 8.44 b), und der Gleichstrommodus wird so gewählt, dass der Arbeitspunkt O im fallenden Abschnitt der Kennlinie liegt (Abb. 7).

Abb.7. Strom-Spannungs-Kennlinie und Generatorschaltung mittels Tunneldiode

Der Gleichstrombetrieb muss berücksichtigt werden innerer Widerstand Quelle R ich. Dazu ist es notwendig, ein System aus zwei Gleichungen zu lösen:

Eine grafische Lösung des Systems ist in Abbildung 8.44 a dargestellt.

Betrachten wir zwei Fälle.

Im ersten Fall mit einem steilen Anstieg der Kennlinie | S (U 0)| > 1/R ich, es gibt drei mögliche Zustände, die die Gleichungen des Systems erfüllen – Punkte A, O, B. Die Analyse unter Berücksichtigung der Kapazität der Diode selbst zeigt, dass nur die Punkte A und B, die sich auf den zunehmenden Abschnitten der Kennlinie befinden, sind stabil. Liegt der Ruhepunkt (Punkt O) im Kennlinienabschnitt mit negativer Steigung, ist der Zustand der Schaltung instabil und der Arbeitspunkt verschiebt sich spontan in eine der Extremlagen (zu Punkt A oder Punkt B).

Im zweiten Fall mit steilem Anstieg der Kennlinie | S (U 0)| < 1/R ich, es gibt nur einen Zustand, der die Gleichungen erfüllt – Punkt O. Er erweist sich als stabil und daher kann der Arbeitspunkt an jedem Teil der Strom-Spannungs-Kennlinie mit negativer Steigung eingestellt werden, daher ist der Phasenzustand von selbst- Erregung ist zufrieden. Die Amplitudenbedingung für Selbsterregung ist erfüllt, wenn | S (U 0)| > GÄh, wo G E – Leitfähigkeit des Stromkreises an den Diodenanschlusspunkten.

Die Schwingungsfrequenz beträgt

und kann mit geändert werden MIT K. Die Amplitude der Schwingungen ändert sich, indem der Punkt geändert wird, an dem die Diode mit dem Schwingkreis verbunden ist. Wenn die Spulen L 1 und L 2 sind nicht durch ein einzelnes Magnetfeld verbunden, dann ist der Schaltkoeffizient gleich

Wenn die Spulen L 1 und L 2 bilden eine einzelne Spule mit einem gemeinsamen Magnetfeld, dann ist die Diode mit einem Schaltkoeffizienten gleich an den induktiven Zweig angeschlossen

Wo N 1 und N 2 – Anzahl der Windungen in den im Diagramm angegebenen Teilen der Spule L 1 und L 2 .

Blockiervermögen MIT B wird aus der Bedingung ausgewählt

Vorteile des Systems:

1) die Fähigkeit, in einem sehr breiten Frequenzbereich (von einigen Kilohertz bis zu mehreren zehn Gigahertz) zu arbeiten;

2) hohe Stabilität der Parameter bei Temperaturänderungen über einen weiten Bereich;

3) geringer Eigengeräuschpegel;

4) geringer Energieverbrauch aus Stromquellen;

5) lange Lebensdauer;

6) geringe Empfindlichkeit gegenüber Strahlung.

Der Nachteil der Schaltung ist die geringe Ausgangsleistung, die auf die kleinen Abstände der Ströme und Spannungen im abfallenden Teil der Kennlinie (mit negativer Steigung) zurückzuführen ist. Beispielsweise liefert ein Generator auf Basis einer Tunneldiode mit einem Spitzenstrom von bis zu 10 mA eine Leistung von maximal einigen Milliwatt. Um mehr Leistung zu erhalten, ist der Einsatz von Dioden mit hohen Spitzenströmen erforderlich.

Verallgemeinertes Diagramm eines Dreipunkt-Selbstoszillators

Neben der Selbstoszillatorschaltung mit transformatorischer Rückkopplung gibt es sogenannte Dreipunktschaltungen selbstoszillatorischer Sinusschwingungen. Sie verfügen über keine Koppelspulen und eine positive Rückkopplung wird durch eine autotransformatorische (potentiometrische) Verbindung des Rückkopplungskreises mit dem Stromkreis erreicht, d. h. die Rückkopplung wird durch Blindspannungsteiler vom kapazitiven oder induktiven Typ realisiert.

Bei einem Dreipunkt-Selbstoszillator ist ein aktives Bauelement (Lampe oder Transistor) an drei Punkten mit einem Schwingkreis verbunden. Lassen Sie uns ein verallgemeinertes Ersatzschaltbild eines Dreipunkt-Wechselstromgenerators darstellen, das für jeden Generator dieses Typs gültig ist (Abb. 8).

Reis. 8. Verallgemeinertes Ersatzschaltbild eines Dreipunkt-Selbstoszillators

Die Schaltung besteht aus Zweipolnetzwerken , , , die meist so geringe Verluste aufweisen, dass sie als rein reaktiv angesehen werden können:

Die verallgemeinerte Schaltung enthält einen Verstärker mit Verstärkung

und Belastung in Form einer Kontur X 1 X 2 X 3 sowie eine Rückkopplungsschaltung, die einen Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers mit einer Verstärkung zurück an seinen Eingang überträgt

Seit

Die Phase der Verstärkung jK in einem Stromkreis mit gemeinsamem Emitter (Kathode) beträgt bei der Resonanzfrequenz des Stromkreises 180°, da der Widerstand des Stromkreises bei dieser Frequenz rein aktiv ist und der Verstärker mit gemeinsamem Emitter invertiert das Signal. Um die Phasenbedingung für die Selbsterregung des Generators j K + j b = 360° zu erfüllen, ist es daher erforderlich, dass j b = 180°. Dies gilt, wenn b reell und negativ ist. Gemäß (8.40) kann argumentiert werden, dass dies unter zwei Bedingungen zutrifft:

1) X 1 und X 3 müssen sein anderes Zeichen(unterschiedliche Art der Reaktivität);

2) |X 3 | > |X 1 |.Die Frequenz der erzeugten Schwingungen ist gleich der Resonanzfrequenz des Stromkreises, da die Phasenbedingung nur bei dieser Frequenz erfüllt ist. Aus dem Zustand der Resonanz im Stromkreis X 1 + X 2 + X 3 = 0 daraus folgt X 2 muss das gleiche Vorzeichen haben wie X 1 und dann

Somit ist es möglich, eine Regel für den Aufbau eines Dreipunktgenerators zu formulieren: Zwischen der gemeinsamen und der Steuer-, der gemeinsamen und der Ausgangselektrode des Verstärkerelements müssen reaktive Elemente der gleichen Art von Reaktivität enthalten sein, und zwischen der Steuerung und dem Ausgang Elektroden - ein Element der entgegengesetzten Natur der Reaktivität.

Einhaltung dieser Regel gewährleistet die Erfüllung der Phasenbedingung zur Selbsterregung des Generators.

Handelt es sich bei reaktiven Zweipolnetzen um Einelementnetze, sind nur zwei Varianten von Dreipunktgeneratoren möglich (Abb. 9).

Reis. 9. Dreipunktgeneratorschaltungen

Die in Abbildung 9 dargestellte Schaltung a wird als induktive Dreipunktschaltung und in Abbildung 8.46 b als kapazitive Dreipunktschaltung bezeichnet.

Alle oben genannten Überlegungen und Schlussfolgerungen gelten auch für auf einer Lampe montierte Dreipunktschwinger. Es ist nicht schwierig, ähnliche Schaltungen induktiver und kapazitiver Dreipunktschaltungen darzustellen.

Es sollte betont werden, dass die in der Schaltung enthaltenen Zwei-Terminal-Netzwerke , , , erhalten werden können als Gesamtwiderstände Egal wie komplex Schaltkreise (z. B. Schwingkreise) sind, wichtig ist nur, dass sie bei der Frequenz der erzeugten Schwingungen die erforderliche Reaktivität erzeugen. Schwingkreiskondensatoren dürfen keine Schwingkreiskondensatoren enthalten, da stattdessen Zwischenelektrodenkapazitäten verwendet werden.

Abschluss

Jedes Schema hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Die Entstehung neuer Systeme ist auf den Wunsch zurückzuführen, bestimmte Eigenschaften bestehender Systeme zu verbessern. Zum Beispiel der Wunsch, die Frequenz und Amplitude von Schwingungen unabhängig voneinander einstellen zu können hohe Frequenzen zusammen mit bestimmten Konstruktionsvorteilen eine höhere Frequenzstabilität usw. erreichen. Eine gleichzeitige Verbesserung aller Eigenschaften kann jedoch aufgrund ihrer Inkonsistenz in der Regel nicht erreicht werden, sodass je nach Einsatzbedingungen dem einen oder anderen Schema der Vorzug gegeben werden muss .

Literatur:

1. Bogdanov N. G., Lisichkin V. G. Grundlagen der Funktechnik und Elektronik. Teil 8, 2000..

2. Nikolsky I. N., Khopov V. B., Varokosin N. P., Grigoriev V. A., Kolesnikov A. A. Nichtlineare Funkkommunikationsgeräte. 1972.

Abhängig von den Werten der konstanten Versorgungsspannungen, die den Elektroden des Verstärkungselements zugeführt werden, und vom Koeffizienten Koc sind zwei Selbsterregungsmodi möglich: weich und hart.

1. Sanfter Selbsterregungsmodus.

In diesem Modus wird der Arbeitspunkt A auf dem linearen Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements ausgewählt, wodurch der anfängliche Betriebsmodus des Verstärkungselements sichergestellt wird, ohne den Ausgangsstrom i out zu unterbrechen (Abb. Nr. 2).

Reis. Nr. 2. Diagramm des sanften Selbsterregungsmodus.

Unter diesen Bedingungen entsteht Selbsterregung durch kleinste Änderungen der Eingangsspannung Uin, die unter realen Bedingungen aufgrund von Ladungsträgerschwankungen immer vorhanden sind.

Die Schwingungen im Autogenerator nehmen zunächst relativ schnell zu. Aufgrund der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie des Verstärkungselements verlangsamt sich dann das Wachstum der Schwingungsamplitude, da die Spannung an seinem Eingang auf Abschnitte der Strom-Spannungs-Kennlinie mit zunehmend geringerer statischer Steigung fällt, und zwar führt zu einer Verringerung der durchschnittlichen Steigung S avg und des Übertragungskoeffizienten K os der Rückwärtskommunikation.

Es kommt zu einer Zunahme der Schwingungen, bis der Transmissionskoeffizient K auf eins absinkt. Dadurch stellt sich im Selbstoszillator ein stationärer Modus ein, der einer bestimmten Amplitude der Ausgangsschwingungen entspricht, und der Abschaltwinkel des Ausgangsstroms beträgt 0>90 0 . Die Frequenz dieser Schwingungen liegt sehr nahe an der Resonanzfrequenz des Schwingsystems.

Wenn das verstärkende Element eine lineare Strom-Spannungs-Kennlinie hätte, würde die Amplitude der Selbstschwingungen bis ins Unendliche ansteigen, was physikalisch unmöglich ist. Daher ist es unmöglich, in einer linearen Schaltung stabile Selbstschwingungen mit konstanter Amplitude zu erhalten.

Aufgrund der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie ist die Form des Ausgangsstroms i aus dem Verstärkungselement nicht sinusförmig. Bei einem ausreichend hohen Gütefaktor (50...200) des Schwingsystems sind jedoch die erste Harmonische dieses Stroms und damit auch die Spannung am Ausgang des Selbstgenerators nahezu harmonische Schwingungen.

2. Harter Selbsterregungsmodus.

In diesem Modus wird die Vorspannung U 0 so eingestellt, dass bei kleinen Amplituden der Eingangsspannung der Strom nicht durch das Verstärkungselement fließt. Dann können die im Stromkreis entstehenden leichten Schwingungen keinen Strom im Ausgangskreis verursachen und es kommt nicht zu einer Selbsterregung des Selbstoszillators. Schwingungen treten nur dann auf, wenn ihre Anfangsamplitude ausreichend groß ist, was nicht immer gewährleistet werden kann. Der Prozess des Auftretens und Wachstums von Schwingungen im harten Selbsterregungsmodus wird anhand von Abb. Nr. 3 veranschaulicht.

Abb. Nr. 3. Diagramm der harten Selbsterregung

Aus der Betrachtung dieser Abbildung wird deutlich, dass bei kleinen Anfangsamplituden der Eingangsspannung (Kurve 1) der Strom i out = 0 ist und keine Selbstschwingungen auftreten. Sie entstehen erst bei ausreichend großer Anfangsspannungsamplitude (Kurve 2) und steigen schnell auf einen stationären Wert an. Im stationären Modus arbeitet das Verstärkungselement bei einem Ausgangsstrom-Abschaltwinkel von 0<90 0 .

Für eine einfachere Bedienung des Autogenerators ist es ratsamer, einen sanften Selbsterregungsmodus zu verwenden, da in diesem Modus unmittelbar nach dem Einschalten der Stromquelle Schwingungen auftreten. Allerdings in einem starren Schwingungsmodus mit einem Grenzwinkel von 0<90 0 обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.

Automatischer Offset. Seine Verwendung ermöglicht es, dass der Selbstoszillator beim ersten Einschalten im weichen Selbsterregungsmodus arbeitet und anschließend automatisch in den harten Selbsterregungsmodus übergeht. Dies wird durch die Verwendung einer speziellen automatischen Vorspannungsschaltung im Autogenerator erreicht.

Abb. Nr. 4a zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Selbstoszillators auf Basis eines Bipolartransistors VT, dessen Last der Schwingkreis L2C2 ist. An der Spule L1 wird eine positive Rückkopplungsspannung erzeugt, die zwischen Basis und Emitter des Transistors angelegt wird. Die anfängliche Vorspannung6 an der Basis des Transistors wird durch die von der Auto-Bias-Schaltung R1C1 eingeschaltete Quelle erzeugt.

Der Entstehungs- und Wachstumsvorgang von Schwingungen wird anhand von Abb. Nr. 4b veranschaulicht. Im ersten Moment nach dem Einschalten des Generators, d.h. Im Moment des Auftretens von Schwingungen liegt der Arbeitspunkt A im Bereich der maximalen Steilheit der Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors. Dadurch kommt es unter Bedingungen eines sanften Selbsterregungsmodus leicht zu Schwingungen. Mit zunehmender Amplitude steigt der Basisstrom, dessen Konstantanteil einen Spannungsabfall U cm am Widerstand R1 erzeugt (der Wechselanteil dieses Stroms fließt durch den Kondensator C1). Da die Spannung U cm zwischen Basis und Emitter in negativer Polarität anliegt, sinkt die resultierende Gleichspannung an der Basis U 0 - U cm, wodurch sich der Arbeitspunkt entlang der Transistorkennlinie nach unten verschiebt und der Selbstoszillator in Betrieb geht Modus mit kleinen Abschaltwinkeln des Kollektorstroms, während die Ströme Kollektor i k und Basis i b die Form einer Impulsfolge haben und die Spannung am Ausgang U out, erzeugt durch die erste Harmonische des Kollektorstroms, sinusförmig ist Schwingung mit konstanter Amplitude.

Somit fungiert die automatische Vorspannungsschaltung R1C1 im Selbstoszillator als Regler des Selbsterregungsprozesses und schafft zunächst Bedingungen für eine sanfte Selbsterregung mit anschließendem Übergang in einen günstigeren Modus mit kleinen Abschaltwinkeln.