Залежно від значень постійних напруг живлення, підведених до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта К 0 . з можливі два режими самозбудження: м'який та жорсткий.

У режимі м'якого самозбудження робочу точку А вибирають на лінійній ділянці ВАХ підсилювального елемента (рисунок 9.1,а), що забезпечує початковий режим підсилювального елемента без відсічки вихідного струму. У цих умовах самозбудження виникає від самих незначних змін вхідної напруги, що завжди є в реальних умовах через флуктуацію носіїв заряду.

Спочатку коливання в автогенераторі наростають відносно швидко. Потім через нелінійність ВАХ підсилювального елемента зростання амплітуди коливань уповільнюється, оскільки напруга на його вході потрапляє на ділянки ВАХ з меншою статичною крутістю, а це призводить до зменшення середньої крутості S порівнта коефіцієнта передачі До 0сланцюги зворотного зв'язку.

Рисунок 9.1 – Діаграми, які пояснюють режими самозбудження.

Наростання коливань відбувається до того часу, поки коефіцієнт передачі зменшиться до одиниці. У результаті автогенераторі встановиться стаціонарний режим, якому відповідає певна амплітуда вихідних коливань, причому кут відсічки вихідного струму 0> 90°. Частота цих коливань дуже близька до резонансної частоти коливальної системи. Звернімо увагу: якби підсилювальний елемент мав лінійну вольт-амперну характеристику, наростання амплітуди автоколивань відбувалося б нескінченно, що фізично неможливо. Тому в лінійного ланцюгаотримати стійкі автоколивання із постійною амплітудою неможливо.

Через нелінійність вольт-амперної характеристики форма вихідного струму підсилювального елемента виходить несинусоїдальною. Однак при досить великій добротності (Q = 50 ... 200) коливальної системи перша гармоніка цього струму і, отже, напруга на виході автогенератора є майже гармонійними коливаннями.

9.5 Режим жорсткого самозбудження

При цьому режимі напругу усунення задають таким, щоб при малих амплітудах вхідної напруги струм через підсилювальний елемент не проходив. Тоді незначні коливання, що виникли в контурі, не можуть викликати струм у вихідний ланцюг, і самозбудження автогенератора не настає. Коливання виникають лише за їх досить великий початкової амплітуді, що завжди можна забезпечити. Процес виникнення та наростання коливань при жорсткому режимі самозбудження ілюструється малюнку 9.1, б. Видно, що при малих початкових амплітудах вхідної напруги (крива 1) струм i вих = 0та автоколивання не виникають. Вони виникають тільки при досить великій початковій амплітуді напруги (крива 2) і швидко наростають до значення, що встановилося. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент працює з кутами відсікання вихідного струму.<90°.

Для зручності експлуатації автогенератора доцільніше застосовувати м'який режим самозбудження, тому що в цьому режимі коливання виникають відразу після включення джерела живлення. Однак при жорсткому режимі коливань з кутом відсічення<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.

Класифікація генераторів

Генератор— це пристрій, що перетворює енергію джерела постійного струму на енергію електромагнітних коливань з певними параметрами.

Основними параметрами коливань є: амплітуда, частота та форма.

Основною вимогою до генераторів є стійкість його роботи при впливі на нього дестабілізуючих факторів, тобто стабільність параметрів коливань, що генеруються.

Генератори широко застосовують у техніці зв'язку. Вони використовуються для формування тестових сигналів, сигналів синхронізації, службових сигналів, опорних коливань тощо.

Умовне графічне зображення генераторів наведено малюнку 1.

Малюнок 1 - Умовне графічне позначення генераторів: а) гармонійних коливань; б) послідовності прямокутних імпульсів; в) послідовності пилкоподібних імпульсів.

Класифікація генераторів наведено малюнку 2.

Електричнимиє генератори, що безпосередньо перетворюють енергію джерела постійного струму в енергію коливань.

Електромеханічнимиє генератори, в яких частота коливань, що генеруються, задається частотою механічних коливань деяких матеріалів (кварцової пластини).

У генераторах з внутрішнім збудженнямабо з самозбудженнямколивання формуються з допомогою внутрішнього джерела питания.

Малюнок 2 - Класифікація генераторів

У генераторах з зовнішнім збудженнямформування коливань здійснюється з іншого коливання (множення і розподіл частоти), що надходить на його вхід.

Релаксаційні генераториабо мультивібраториформують коливання не гармонійної форми (послідовності прямокутних, трикутних, пилкоподібних, дзвонових і т. д. імпульсів).

Гармонійніабо квазігармонічнігенератори формують коливання гармонійної форми.

У RC-генераторахяк виборчий ланцюг використовуються RC-фільтри.

У LC-генераторахяк виборчий ланцюг використовується паралельний коливальний контур.

У двоточковихLC-генераторахколивальний контур підключається до підсилювального елемента двома точками, а в триточковихLC-автогенератори? трьома точками.

Узагальнена структурна схема гармонійного автогенератора

Побудуємо узагальнену структурну схему гармонійного автогенератора. Оскільки це автогенератор, то він повинен мати внутрішнє джерело живлення (ІП) Для формування гармонійних коливань генератор повинен містити ланцюг, в якому можуть виникнути коливання. Такий ланцюг є коливальний контур, який також виконуватиме функції виборчого ланцюга (ІЦ). Виборчий ланцюг визначає частоту коливань, що генеруються, та їх форму. З погляду виникнення коливань коливального контуру достатньо, але коливальний контур є пасивним ланцюгом, отже має позитивним активним опором Rиц. За наявності цього опору, а також опору навантаження Rн, в яку подаються коливання, що формуються генератором коливання будуть загасаючими. Тому в ланцюг автогенератора необхідно включити елемент, що має негативний активний опір, як відомо, елемент, що володіє негативним активним опором є джерелом змінного струму, а отже є активним (підсилювальним) елементом (УЕ). Опір підсилювального елемента Ruе має повністю компенсувати всі втрати енергії в пасивних ланцюгах генератора та навантаженні. Також до складу автогенератора необхідно включити ланцюг, за допомогою якого частина коливань з виходу генератора надходитиме в підсилювальний елемент для компенсації втрат, тобто необхідний ланцюг зворотнього зв'язку(ОС). Даний ланцюг також є пасивним і має позитивний активний опір Rос. Таким чином, отримуємо узагальнену структурну схему гармонійного автогенератора (рисунок 3).

Рисунок 3 – Узагальнена структурна схема гармонійного автогенератора

У стаціонарному режимі роботи автогенератора позитивний активний опір пасивних елементів генератора та навантаження має повністю компенсуватися негативним опором підсилювального елемента, тобто.

Rіц+Rос+Rн— Rуе = 0 (1)

Процес порушення коливань в автогенераторі

Розглянемо процес порушення коливань в автогенераторі (рисунок 3). При включенні джерела живлення ланцюгах автогенератора спостерігаються флуктуації струму (флуктуаційний шум). Спектр цього шуму містить складові всіх частотах. З цього спектра за допомогою виборчого кола виділяється складова на частоті генерації fг. Отримане коливання на виході ІЦ надходить ланцюгом зворотного зв'язку в підсилювальний елемент, де здійснюється посилення коливання, яке надходить знову в ІЦ і т. д. Амплітуда коливань зростає до певного моменту, після чого вона стабілізується, а також стабілізуються частота і форма коливань. Під час роботи автогенератора виділяють два режими роботи: перехідний та стаціонарний. Перехідний режимроботи генератора триває з моменту включення генератора до моменту стабілізації параметрів коливань. Стаціонарний режимроботи триває з стабілізації параметрів коливань і до вимкнення генератора (рисунок 4).

Рисунок 4 - Режими роботи автогенератора

Умови самозбудження автогенератора

Щоб визначити умови самозбудження автогенератора, необхідно розглянути його рівняння.

Коефіцієнт передачі автогенератора визначається виразом

Кп=Кус? Кос (2)

де Кп - комплексне значення коефіцієнта передачі автогенератора;

Кус - комплексне значення коефіцієнт посилення підсилювача;

Кос- Комплексне значення коефіцієнта зворотного зв'язку.

Якщо розімкнути ланцюг зворотного зв'язку, то вираз для коефіцієнта посилення матиме вигляд

Кус= Umвих/ Umвх=Кусe jjвус (3)

де Um вх - комплексна амплітуда вхідної напруги підсилювача;

Um вих - комплексна амплітуда вихідної напруги підсилювача;

Кус - модуль коефіцієнта посилення:

j ус - аргумент модуля коефіцієнта посилення.

Модуль коефіцієнта посилення дорівнює

Кус =Umвих/ Umвх (4)

j ус враховує зсув фаз між вхідною та вихідною напругами підсилювача. Як випливає з малюнка 3, підсилювач включає підсилювальний елемент і вибірковий ланцюг. Припустимо, що як виборча система використовується паралельний коливальний контур з опором Rрез. Тоді

Umвих= Im 1 ? Rрез (5)

де Im 1? амплітуда першої гармоніки вихідного струму підсилювального елемента

Між Im 1 і Um вх існує взаємозв'язок, що визначається виразом

Im 1 = Sср? Umвх (6)

де Sср - середня крутість вольт-амперної характеристики підсилювального елемента

Підставляючи значення Im 1 з (6) до (5) отримуємо

Umвих= Sср? Umвх? Rрез (7)

Тоді модуль коефіцієнта посилення підсилювача, враховуючи (4) і (7) буде дорівнювати

Кус =Umвих/ Umвх= Sср? Umвх? Rрез/Umвх= Sср? Rрез(8)

Враховуючи, що j ус буде одно

jвус=jуе+ jіц (9)

де j уе - фазовий зсув, що вноситься підсилювальним елементом;

j іц - фазовий зсув, що вноситься виборчим ланцюгом.

Враховуючи вирази (3), (8) та (9) коефіцієнт посилення підсилювача дорівнюватиме

Кус= Sср? Rрезe j (jуе+jіц) (10)

Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку дорівнює

Кос = Um в х / Um вих = Кос e j jос (11)

де Кос - модуль коефіцієнта передачі ланцюга зворотного зв'язку;

j ос - аргумент модуля коефіцієнта передачі ланцюга зворотного зв'язку.

j ос враховує зсув фаз між вхідною і вихідною напругою ланцюга зворотного зв'язку.

Таким чином, виходячи з виразів (2), (10) та (11), можна записати коефіцієнт передачі автогенератора в стаціонарному режимі (з постійними параметрами) при генеруванні синусоїдальних коливань

Кп=Кус? Кос= Sср? Rрез? Косe j (jуе+jіц+jос)=1 (12)

Вираз (12) є рівнянням автогенератора. Згідно з цим рівнянням коефіцієнт передачі автогенератора в стаціонарному режимі повинен дорівнювати одиниці.

Рівняння автогенератора висловлює умови самозбудження автогенератора.

1. Умова балансу амплітуд

Кп= Sср? Rрез? Кос = 1 (13)

Коефіцієнт передачі по замкнутому кільцю генератора повинен дорівнювати одиниці.Т. е. вся енергія, що витрачається на пасивних елементах генератора і навантаження повинна повністю компенсуватися енергією поповнення підсилювального елемента.

Умова балансу амплітуд визначає стаціонарну амплітуду коливань.

2. Умова балансу фаз

jвус=jуе+ jіц+ jос=0 або k2 p, деk=1, 2, 3, … (14)

Сумарний зсув фаз в замкнутому кільці автогенератора повинен дорівнювати нулю або кратен 2p (360 ° ). Т. е. Енергія поповнення підсилювального елемента повинна подаватися у фазі з вже існуючими коливаннями. Для виконання цієї умови ланцюг зворотного зв'язку автогенератора має бути позитивною. Оскільки в більшості автогенераторів умова балансу фаз виконується лише на одній частоті, то ця умова визначає частоту генерації.

Режими самозбудження автогенератора

Залежно від значень постійних напруг живлення підводяться до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта Кос можливі два режими самозбудження: м'який і жорсткий.

При м'якому режимі самозбудженнястановище робочої точки (А) задається на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики підсилювального елемента (рисунок 5). У цьому випадку забезпечується початковий режим роботи підсилювального елемента без відсікання вихідного струму. При цьому режимі самозбудження виникає навіть за незначних змін вхідної напруги, які завжди спостерігаються через флуктуації носіїв зарядів. Таким чином, коливання на виході підсилювального елемента виникають відразу, навіть за незначних змін вхідної напруги, що є гідністю даного режиму самозбудження. Амплітуда коливань на виході генератора зростає плавно. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент може працювати без відсікання або з відсіканням вихідного струму, причому в другому випадку кут відсікання вихідного струму Q (половина тривалості імпульсу вихідного струму) більше 90 °. Відсутність відсікання або великий кут відсічення призводять до зниження коефіцієнта корисної дії (ККД) генератора, що є недоліком цього режиму.

Рисунок 5 - Діаграми, що пояснюють м'який режим самозбудження

При жорсткому режимі самозбудженняположення робочої точки визначається за межами вольт-амперної характеристики підсилювального елемента (рисунок 6). Це призводить до того, що підсилювальний елемент постійно працює в режимі відсічення вихідного струму, внаслідок цього коливання на виході елемента з'являються лише при перевищенні амплітудою напруги вхідної u(t) певного значення U н. При перевищенні цього значення (u(t)?U н) підсилювальний елемент відмикається, і на його виході з'являються коливання. Причому амплітуда цих коливань зростає швидко. Необхідність наявності певної напруги на вході підсилювального елемента для появи коливань на його виході є недоліком жорсткого самозбудження.

В даному режимі самозбудження кут відсічення вихідного струму менше 90 °. Наявність малого кута відсікання збільшує ККД генератора, що є гідністю цього режиму.

Малюнок 6 - Діаграми, що пояснюють жорсткий режим самозбудження

Як видно м'який режим самозбудження має ті переваги, якими не має жорсткий режим, а жорсткий режим має ті переваги, якими не має м'який режим. Тому на практиці в деяких типах генераторів (зокрема в LC-генераторах) використовують обидва режими: при включенні генератора і під час перехідного режиму генератор працює в м'якому режимі самозбудження, а при переході в стаціонарний режим роботи генератор переводиться в жорсткий самозбудження.

Характеристики автогенератора

Коливальна характеристикаявляє собою залежність амплітуди першої гармоніки вихідного струму підсилювального елемента Im 1 від амплітуди вхідної напруги Um вх при незмінному напрузі зміщення U 0 і розімкнутого ланцюга зворотного зв'язку.

Ці характеристики мають нелінійний характер, тому що підсилювальний елемент є нелінійним і залежать від режиму самозбудження генератора. На малюнку 7 а представлена ​​коливальна характеристика генератора в м'якому режимі самозбудження, а на малюнку 7 б? у жорсткому режимі самозбудження.

Малюнок 7 - Коливальні характеристики автогенератора

Лінії зворотного зв'язкує залежність вихідної напруги ланцюга зворотного зв'язку Um вих від амплітуди першої гармоніки вхідного струму Im 1 .

Оскільки вихідна напруга ланцюга зворотного зв'язку є вхідною напругою підсилювального елемента, а вхідний струм ланцюга зворотного зв'язку є вихідним струмом підсилювача, лінії зворотного зв'язку зручніше представити щодо підсилювача як залежність вхідної напруги підсилювального елемента від амплітуди першої гармоніки вихідного струму (рисунок 8).

Рисунок 8 - Лінії зворотного зв'язку

Лінії зворотного зв'язку виражають лінійну залежність, тому що ланцюг зворотного зв'язку є лінійним ланцюгом. Нахил ліній залежить від коефіцієнта зворотного зв'язку Кос. Чим більше Кос, тобто чим сильніший зворотний зв'язок, тим менший кут нахилу щодо осі Um вх, наприклад, на малюнку 8: Кос 1<Кос 2 <Кос 3 .

Визначення стаціонарної амплітуди коливань

З пункту 1.6 випливає, що в автогенераторі одночасно існують лінійна (лінії зворотного зв'язку) та нелінійна (коливальна характеристика) залежності. У стаціонарному режимі роботи автогенератора амплітуда напруги Um вх і відповідна йому амплітуда струму Im 1 підсилювального елемента повинні задовольняти одночасно цим двом залежностям. Це можливе лише в точках перетину коливальної характеристики з лінією зворотного зв'язку. Розглянемо процес визначення стаціонарної амплітуди коливань у різних режимах самозбудження.

М'який режим самозбудження.

Для аналізу процесів, що відбуваються в автогенераторі, побудуємо обидві його характеристики в одній осі координат і в одному масштабі (рисунок 9).

На малюнку представлені дві лінії зворотного зв'язку за різних коефіцієнтів зворотного зв'язку Кос 1 і Кос 2 причому Кос 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 точкою сталої рівновагита відповідає стаціонарному режиму роботи генератора. У точці стійкої рівноваги спостерігається баланс енергії поповнення підсилювального елемента та енергії втрат. До цієї точки генератор приходить у процесі самозбудження. В результаті впливу на генератор різних дестабілізуючих факторів він може вийти зі стану стійкої рівноваги, але амплітуда коливань буде прагнути повернутися до точки стійкої рівноваги. Розглянемо процеси, які у автогенераторі у разі.

Припустимо, що напруга на вході підсилювального елемента зменшилася значення Um вхС. Ця напруга викликає у вихідному ланцюзі генератора струм Im 1 C . Цей струм завдяки зворотному зв'язку збільшить напругу на вході елемента до Um вх D , а це, своєю чергою, призведе до збільшення струму до Im 1 D . Цей струм призведе до збільшення напруги і т. д. Це буде відбуватися до тих пір, поки амплітуда коливань не досягне значень точки В. Якщо ж амплітуда коливань, під впливом факторів, що дестабілізують, збільшиться до значення Um вхЕ, то відбудеться зворотний процес, т.е. е. викликаний цією напругою струм Im 1 E завдяки зворотному зв'язку, приведе до зменшення напруги Um вх і т. д., доки амплітуда коливань знову не повернеться до значення точки В.

Жорсткий режим самозбудження.

В даному режимі коливальна характеристика та лінія зворотного зв'язку має три загальні точки 0, А та (рисунок 10).

Рисунок 10 Визначення стаціонарної амплітуди коливань у жорсткому режимі

У точці 0 вагання існувати не можуть. Проаналізуємо точку А. Зменшення амплітуди коливань на вході підсилювального елемента до Um вхС, викличе струм у вихідний ланцюга Im 1С, який у свою чергу призведе до зменшення напруги Um вх, ця напруга призведе до зменшення струму Im 1 і т.д. , Доки коливання не згаснуть. Якщо напруга на вході підсилювального елемента збільшиться до значення Um вх D то амплітуда коливань збільшуватиметься до значення точки В. Таким чином, точка А є точкою нестійкої рівноваги, у цій точці можуть існувати коливання, але за зміни їх амплітуди вони або згасають або їх амплітуда збільшується. Якщо провести аналіз точки, вона виявиться точкою стійкого рівноваги.

Режим самозбудження, при якому після включення джерела живлення коливання плавно наростають, називається м'яким самозбудженням, якщо для порушення коливань потрібна якась додаткова дія, то такий режим називається жорстким.

Мал. 13.2. Зміна крутості при м'якому режимі самозбудження

Реалізації м'якого режиму самозбудження можна досягти шляхом відповідного вибору напруги усунення на ділянці вольтамперної характеристики транзистора з великою крутістю.

Цьому режиму відповідає залежність S=f(U mб) наступної форми, показаної на рис. 13.2.

На цьому ж рис. проведено пряму
. Для точки перетину графіків виконується рівняння балансу амплітуд і амплітуда коливання, що встановилася, дорівнює
. При м'якому режимі стаціонарний режим виявляється стійким, спокою – нестійким. Тому відбувається самозбудження автогенератора.

Для жорсткого режиму характерним є те, що малі коливання на вході транзистора не можуть спричинити самозбудження автогенератора; самозбудження можливе тільки при великій початковій амплітуді напруги. Такий режим реалізується шляхом подачі на УЕ замикаючої напруги зміщення, при якому малі амплітуди вхідної напруги не можуть викликати струму вихідного ланцюга УЕ.

І тому режиму характерна наступна залежність S=f(U mб), показана на рис. 13.3.

Мал. 13.3. Зміна крутості при жорсткому режимі самозбудження

Режим, що відповідає амплітуді коливань
, стійкий, а режим, що відповідає амплітуді
, нестійкий.

13.3. Еквівалентні триточкові схеми автогенератора

Найпростішими за конфігурацією автогенераторами є автогенератори, що працюють за триточковою схемою. У таких автогенераторах транзистор трьома своїми висновками приєднують до трьох точок коливального контуру, що складається з трьох реактивних елементів.

Узагальнена триточкова схема автогенератора зображено на рис. 13.4.

Мал. 13.4. Узагальнена еквівалентна схема автогенератора

Для виникнення автоколивань необхідно, щоб:

Залежно від того, які реактивні елементи кількісно переважають у контурі, розрізняють автогенератори, побудовані за схемою індуктивної (рис. 13.5) та ємнісної (рис. 13.6) триточки.

Індуктивна триточка:

Мал. 13.5. Індуктивна триточка

,
,
.

Ємна триточка:

Мал. 13.6. Ємна триточка

- Частота коливань, що генеруються.

,
,
.

Коефіцієнт зворотного зв'язку через елементи триточкової схеми:

.

Для індуктивної триточки:
.

Для ємнісної триточки:
.

Схема Клаппа

У модифікованій схемі ємнісної триточки досягається вища стабільність частоти (рис. 13.7).

Мал. 13.7. Схема Клаппа

Введення конденсатора 3 зменшує коефіцієнт включення транзистора в контур, знижуючи дестабілізуючий вплив його параметрів на частоту автогенератора.

, де
.

У всіх схемах контур частково включений в колекторний ланцюг транзистора.

Коефіцієнт включення контуру в ланцюг колектора:

Еквівалентний опір ланцюга колектора:
.

АНАЛІЗ РЕЖИМІВ САМОВОЗБУДЖЕННЯ. БАЗОВІ СХЕМИ

Вступ

Порівняльний аналіз режимів самозбудження генератора

Автогенератор з трансформаторним зворотним зв'язком

Автогенератор на тунельному діоді

Узагальнена схема триточкового генератора

Висновок

Література

Вступ

Провівши порівняльний аналіз режимів самозбудження автогенератора, відзначивши переваги та недоліки цих режимів, необхідно акцентувати увагу на суміщенні їх переваг у автоматичному зміщенні шляхом аналізу конкретних схем його забезпечення.

Розглядаючи базові схеми автогенераторів із застосуванням трансформаторів та тунельних діодів, особливу увагу слід приділити на розуміння курсантами фізичних процесів, що відбуваються при самозбудженні та роботі генераторів, а також опиратися на вивчені теоретичні основи автоколивань.

Перший патент на триточкову схему видано інженеру американської фірми "Вестерн електрик" Р. Хартлею (1975), ім'я якого вона носить у радіотехнічній літературі. Це індуктивна триточка. У схемі Хартлея зворотний зв'язок змінюється шляхом переміщення точки приєднання катода витками 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 пізніших автогенераторів.

Наприкінці першої світової війни у ​​ламповій техніці генерування незагасаючих коливань були зроблені спроби використовувати внутрішньолампові ємності. Позитивний зворотний зв'язок через ємність сітка-анод тріода, з якою боролися в радіоприймачах, виявився корисним. Одна з ранніх схем такого типу мала два контури – один в анодному ланцюзі, інший – у сітковому ланцюзі та була еквівалентна індуктивній триточці. Коливання виникали, коли контури були трохи засмучені відносно частоти генерації та мали індуктивний опір. Ця схема знайшла застосування на коротких хвилях у радіоаматорській практиці 20-х. Згодом з'явилися інші варіанти двоконтурних генераторів. Важливо підкреслити, що вони зводилися або до індуктивної, або до ємнісної 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 у своїй різні характеристики автогенератора.

М'який режим.

i K ( uБЕ) з найбільшою крутістю, то режим самозбудження називається м'яким.

Простежимо за змінами амплітуди струму першої гармоніки залежно від величини коефіцієнта зворотного зв'язку ДоОС. Зміна ДоОС призводить до зміни кута нахилу a прямого зворотного зв'язку (рис.1)

Мал. 1 М'який режим самозбудження

При ДоОС = ДоОС1 стан спокою стійкий і генератор не збуджується, амплітуда коливань дорівнює нулю (рис. 1 б). Величина ДоОС = ДоОС2 = ДоКР є граничною (критичною) між стійкістю та нестійкістю стану спокою. При ДоОС = ДоОС3 > ДоКР стан спокою нестійкий, генератор збудиться, і величина I m 1 встановиться відповідної точки А. При збільшенні ДоОС величина першої гармоніки вихідного струму плавно зростатиме і при ДоОС = ДоОС4 встановиться у точці Б. При зменшенні ДоОС амплітуда коливань зменшуватиметься за тією ж кривою і коливання зірвуться при коефіцієнті зворотного зв'язку ДоОС = ДоОС2< ДоКР.

Як висновки можна відзначити такі особливості м'якого режиму самозбудження:

Для збудження не потрібно великої величини коефіцієнта зворотного зв'язку ДоОС;

Порушення і зрив коливань відбуваються при тому самому значенні коефіцієнта зворотного зв'язку ДоКР;

Можливе плавне регулювання амплітуди стаціонарних коливань шляхом зміни величини коефіцієнта зворотного зв'язку ДоОС;

Як недолік слід відзначити велике значення постійної складової колекторного струму, що призводить до малого значення ККД.

Жорсткий режим.

Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики i K = f (uБЕ) з малою крутістю S < S MAX, то режим самозбудження називається жорстким.

Проведемо аналіз режиму (аналогічно м'якому режиму самозбудження) за коливальною характеристикою автогенератора I m 1 = f (U mБЕ) та характеристиці I m 1 = f (ДоОС), представлених на малюнках 2 а) та б) відповідно.

Мал. 2 Жорсткий режим самозбудження

Аналізуючи точки перетину прямих зворотного зв'язку з коливальною характеристикою, приходимо до висновку, що збудження автогенератора відбудеться, коли коефіцієнт зворотного зв'язку перевищить величину ДоОС3 = ДоОСКР. Подальше збільшення ДоОС призводить до невеликого збільшення амплітуди першої гармоніки вихідного (колекторного) струму I m 1 шляхом В-Г-Д. Зменшення ДоОС до ДоОС1 не призводить до зриву коливань, тому що точки В і Б стійкі, а точка А стійка справа. Коливання зриваються в точці А, тобто при ДоОС< ДоОС1, оскільки точка А нестійка зліва.

Таким чином, можна відзначити такі особливості роботи генератора при жорсткому режимі самозбудження:

Для самозбудження потрібна велика величина коефіцієнта зворотного зв'язку ДоОС;

Порушення та зрив коливань відбуваються ступінчасто при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку ДоОС;

Амплітуда стаціонарних коливань у великих межах змінюватися не може;

Постійна складова колекторного струму менше, ніж у м'якому режимі, отже, значно вище за ККД.

Порівнюючи позитивні та негативні сторони розглянутих режимів самозбудження, приходимо до загального висновку: надійне самозбудження генератора забезпечує м'який режим, а економічну роботу, високий ККД та стабільнішу амплітуду коливань – жорсткий режим.

Прагнення об'єднати ці переваги призвело до ідеї використання автоматичного усунення, коли генератор збуджується при м'якому режимі самозбудження, яке робота відбувається у жорсткому режимі. Сутність автоматичного усунення розглянута нижче.

Автоматичне зміщення.

Сутність режиму полягає в тому, що для забезпечення збудження автогенератора в м'якому режимі вихідне положення робочої точки вибирається на лінійній ділянці прохідної характеристики з максимальною крутизною. Еквівалентний опір контуру вибирається таким, щоб виконували умови самозбудження. У процесі наростання амплітуди коливань режим по постійному струмуавтоматично змінюється і в стаціонарному стані встановлюється режим роботи з відсіканням вихідного струму (струму колектора), тобто автогенератор працює у жорсткому режимі самозбудження на ділянці прохідної характеристики з малою крутістю (рис. 3).

Мал. 3 Принцип автоматичного усунення автогенератора

Напругу автоматичного усунення отримують зазвичай за рахунок струму бази шляхом включення в ланцюг бази ланцюжка RБ CБ (рис. 4).

Мал. 4. Схема автоматичного усунення рахунок струму бази

Початкова напруга зміщення забезпечується джерелом напруги ЕБ. При зростанні амплітуди коливань збільшується напруга на резисторі RБ, що створюється постійною складовою базового струму IБ0. Результуюча напруга зміщення ( ЕБ - IБ0 RБ) при цьому зменшується, прагнучи ЕБСТ.

У практичних схемах початкова напруга усунення забезпечується за допомогою базового дільника RБ1, RБ2 (рис. 5).

Мал. 5. Автоматичне зміщення за допомогою базового дільника

У цій схемі початкова напруга зміщення

де - Струм дільника.

У разі зростання амплітуди коливань постійна складова струму бази IБ 0 збільшується та зміщення ЕБ зменшується за величиною, досягаючи значення ЕБСТ в режимі, що встановився. Конденсатор ЗБ запобігає короткому замиканню резистора RБ1 по постійному струму.

Слід зазначити, що введення у схему генератора ланцюга автоматичного усунення може призвести до явища переривчастої генерації. Причиною її виникнення є запізнення напруги автоматичного усунення щодо наростання амплітуди коливань. При великій постійній часі t = RБ ЗБ (рис. 8.41) коливання швидко наростають, а усунення залишається практично незмінним – ЕБ.НАЧ. Далі зсув починає змінюватися і може виявитися меншим від тієї критичної величини, за якої ще виконуються умови стаціонарності, і коливання зірвуться. Після зриву коливань ємність ЗБ буде повільно розряджатися через RБ і зміщення знову буде прагнути до ЕБ.НАЧ. Як тільки крутість стане досить великою, генератор знову збудиться. Далі процеси повторюватимуться. Таким чином, коливання періодично виникатимуть і знову зриватимуться.

Уривчасті коливання, як правило, відносяться до небажаних явищ. Тому дуже важливо розрахунок елементів ланцюга автоматичного зміщення проводити так, щоб унеможливити виникнення переривчастої генерації.

Для виключення переривчастої генерації у схемі (рис. 3) величину CБ вибирають із рівності

Автогенератор з трансформаторним зворотним зв'язком

Розглянемо спрощену схему транзисторного автогенератора гармонійних коливань із трансформаторним зворотним зв'язком (рис. 6).

Мал. 6. Автогенератор із трансформаторним зворотним зв'язком

Призначення елементів схеми:

1) транзистор VT p - n - pтипу, що виконує роль підсилювального нелінійного елемента;

2) коливальний контур L K C K GЕ задає частоту коливань генератора і забезпечує їх гармонійну форму, речова провідність GЕ характеризує втрати енергії у самому контурі та у зовнішньому навантаженні, пов'язаному з контуром;

3) котушка LБ забезпечує позитивний зворотний зв'язок між колекторним (вихідним) і базовим (вхідним) ланцюгами, він індуктивно пов'язаний з котушкою контуру LК (коефіцієнт взаємоіндукції М);

4) джерела живлення ЕБ і Езабезпечують необхідні постійні напруги на переходах транзистора для забезпечення активного режиму його роботи;

5) конденсатор ЗР поділяє генератор та його навантаження по постійному струму;

6) блокувальні конденсатори ЗБ1 та ЗБ2 шунтують джерела живлення змінному струму, за винятком марних втрат енергії на їхніх внутрішніх опорах.

Фізичні процеси у генераторі.

При підключенні джерел живлення ЕБ і ЕДо емітерний перехід зміщується у прямому напрямку і виникає колекторний струм iДо (t), який на початку замикається від + ЕК через емітер – базу – колектор транзистора та ємність ЗДо на - ЕДо, оскільки ємність для перепаду струму є коротким замиканням. Конденсатор ЗДо заряджається, а потім починає розряджатися через елементи контуру L K GЕ й у контурі з'являються вільні коливання. Коливальний струм, проходячи через LДо, створює ЕРС взаємоіндукції в котушці LБ. Ця ЕРС прикладається до емітерного переходу транзистора через ємність ЗБ1 і управляє струмами бази та колектора. Змінна складова колекторного струму, що протікає по ланцюгу: колектор, контур L K C K GЕ, емітер, база, колектор, заповнює втрати енергії в контурі і якщо виконані умови самозбудження, то коливання в ньому наростатимуть по амплітуді. Перша умова самозбудження називається фазовим і вона досягається тим, що котушка LБ включається зустрічно котушці LК. У цьому випадку напруга на базі UБЕ змінюватиметься в протифазі з напругою на колекторі (відповідно, і з напругою на контурі UК) і вихідна провідність транзистора виявиться негативною. Це означає, що транзистор є джерелом енергії змінного струму. Але однієї фазової умови недостатньо, необхідне ще виконання амплітудної умови самозбудження, тобто щоб енергія W(+), що надходить у контур від транзистора, перевищувала втрати енергії W(-) на провідності Gе. практично це досягається вибором М > М КР, де М КР – величина М, коли він виконується рівність W (+) = W(-). Частота коливань, що генеруються, приблизно дорівнює резонансній частоті контуру.

оскільки при Q>> 1, величина коефіцієнта згасання d

Переваги схеми: можливість плавного, незалежного регулювання частоти (шляхом зміни ЗК) та амплітуди (шляхом зміни М) коливань.

При розрахунку параметрів генератора необхідно визначити частоту коливань, що генеруються, резонансну частоту контуру, добротність контуру, а також виконання амплітудного і фазового умови самозбудження.

приклад

Автогенератор із трансформаторним зворотним зв'язком (рис. 6) має параметри контуру L K = 3 мкГн, ЗК = 90 пФ, GЕ = 25 Ом.

Визначити частоту власних затухаючих коливань коливального контуру w 1 , резонансну частоту w 0 та добротність Qколивального контуру.

Рішення завдання.

Оскільки включення котушок LБ і L K вироблено зустрічно, що забезпечує протифазна зміна напруг на базі та колекторі транзистора, то фазова умова самозбудження виконана. Амплітудна умова самозбудження буде досягнуто вибором М > М КР.

Для визначення режиму вільних коливань контурі розрахуємо його параметри.

Частота власних коливань контуру визначається виразом

Для її визначення обчислимо резонансну частоту контуру та коефіцієнт загасання контуру:

Добротність контуру обчислимо за формулою

Як очевидно з наведених розрахунків, частота власних коливань і резонансна частота контуру, при добротності Q >> 1, практично збігається (квазіколивальний режим), що підтверджує теоретичні положення.

Автогенератор на тунельному діоді

Історично тунельні діоди з'явилися значно пізніше, ніж транзистори та лампи. Малі габарити та вага, висока надійністьта економічність зумовили швидке розширення сфери їх застосування. Вольт-амперна характеристика у тунельного діода – типу N(Мал. 7). Тому схема автогенератора виходить просто: до діода підключають паралельний контур змінного струму (рис. 8.44 б), а режим постійного струму вибирають так, щоб робоча точка О виявилася на ділянці, що падає характеристики (рис. 7).

Рис.7. Вольт-амперна характеристика та схема генератора на тунельному діоді

Режим постійного струму повинен забезпечуватися з урахуванням внутрішнього опоруджерела R i. Для цього необхідно вирішити систему двох рівнянь:

Графічне рішення системи показано малюнку 8.44 а.

Розглянемо два випадки.

У першому випадку при крутості нахилу характеристики | S (U 0)| > 1/R i, Існує три можливі стани, що задовольняють рівнянням системи - точки А, О, Б. Аналіз, з урахуванням ємності самого діода, показує, що тільки точки А і Б, розташовані на ділянках, що наростають характеристики, є стійкими. Якщо точка спокою (точка О) знаходиться на ділянці характеристики з негативним нахилом, стан схеми буде нестійким і робоча точка мимоволі зміщується в одне з крайніх положень (у точку А або точку Б).

У другий випадок, при крутості нахилу характеристики | S (U 0)| < 1/R i, Існує лише один стан, що задовольняє рівнянь – точка О. Воно виявляється стійким і тому робоча точка може бути встановлена ​​на будь-якій ділянці вольт-амперної характеристики з негативною крутістю, отже, фазова умова самозбудження виконується. Амплітудна умова самозбудження буде виконана, якщо | S (U 0)| > GЕ, де GЕ - провідність контуру в точках підключення діода.

Частота коливань дорівнює

і може змінюватись за допомогою ЗК. 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 індуктивної гілки з коефіцієнтом включення, що дорівнює

де n 1 і n 2 – число витків у частинах котушки, позначених на схемі L 1 і L 2 .

Блокувальна ємність ЗБ вибирається з умови

Переваги схеми:

1) здатність працювати у дуже широкому діапазоні частот (від одиниць кілогерц до десятків гігагерц);

2) висока стабільність параметрів при зміні температури у широких межах;

3) низький рівень власних шумів;

4) мале споживання енергії джерел живлення;

5) тривалий термін служби;

6) мінімальна чутливість до впливу радіації.

Недолік схеми - мінімальна вихідна потужність, що обумовлено малими інтервалами струмів і напруг в межах падаючої ділянки властивості (з негативною крутістю). Наприклад, генератор на одному тунельному діоді з піковим струмом до 10 мА забезпечує потужність, що не перевищує одиниць міліватів. Для більшої потужності необхідно застосовувати діоди з великими піковими струмами.

Узагальнена схема триточкового автогенератора

Крім схеми автогенератора з трансформаторним зворотним зв'язком існують так звані триточкові схеми автогенераторів синусоїдальних коливань. У них немає котушок зв'язку і позитивний зворотний зв'язок досягається автотрансформаторним (потенціометричним) підключенням ланцюга зворотного зв'язку до контуру, тобто зворотний зв'язок реалізована за допомогою реактивних дільників напруги ємнісного або індуктивного типу.

У триточковому автогенераторі активний прилад (лампа або транзистор) підключається до коливального контуру в трьох точках. Зобразимо узагальнену схему заміщення триточкового генератора змінного струму, яка буде справедлива для будь-якого генератора такого типу (рис. 8).

Мал. 8. Узагальнена схема заміщення триточкового автогенератора

Контур складається з двополюсників , , які зазвичай мають настільки малі втрати, що можна вважати їх суто реактивними:

Узагальнена схема містить підсилювач з коефіцієнтом посилення

та навантаженням у вигляді контуру Х 1 Х 2 Х 3 а також ланцюг зворотного зв'язку, що передає частину вихідної напруги підсилювача назад на його вхід з коефіцієнтом передачі

Оскільки

Фаза коефіцієнта посилення j До у схемі із загальним емітером (катодом) на резонансній частоті контуру дорівнює 180°, так як опір контуру на цій частоті чисто активно, а підсилювач із загальним емітером інвертує сигнал. Отже, для виконання фазової умови самозбудження генератора j К + j b = 360 ° необхідно, щоб j b = 180 °. Це виконуватиметься, якщо b буде дійсною та негативною величиною. Відповідно до (8.40) можна стверджувати, що це виконуватиметься за двох умов:

1) Х 1 і Х 3 мають бути різного знака (різного характеру реактивності);

2) |Х 3 | > |X 1 |.Частота коливань, що генеруються, дорівнює резонансній частоті контуру, так як фазова умова буде виконуватися тільки на цій частоті. З умови резонансу у контурі Х 1 + Х 2 + Х 3 = 0 слід, що Х 2 повинен мати знак, однаковий з Х 1 і тоді

Таким чином, можна сформулювати правило побудови триточкового генератора: між загальним та керуючим, загальним та вихідним електродами підсилювального елемента повинні бути включені реактивні елементи однакового характеру реактивності, а між керуючим та вихідним електродами – елемент протилежного характеру реактивності.

Дотримання цього правила гарантує виконання фазової умови самозбудження генератора.

Якщо реактивні двополюсники є одноелементними, то можливі лише два варіанти триточкових генераторів (рис. 9).

Мал. 9. Схеми триточкових генераторів

Схему, представлену малюнку 9, а називають індуктивної трехточкой, але в малюнку 8.46, б – ємнісної трехточкой.

Всі наведені вище міркування і висновки справедливі і для триточкових автогенераторів, зібраних на лампі. Неважко зобразити й аналогічні схеми індуктивної та ємнісної триточки.

Слід підкреслити, що двополюсники , , , що входять в контур, можуть бути отримані як повні опори як завгодно складних схем (наприклад, коливальних контурів), важливо лише, щоб на частоті коливань, що генеруються, вони створювали потрібну реактивність. У схемах автогенераторів можуть бути відсутні конденсатори коливальних контурів, тому що замість них використовуються міжелектродні ємності.

Висновок

Кожна схема має свої переваги та недоліки. Поява нових схем обумовлено бажанням покращити ті чи інші властивості існуючих схем. Наприклад, бажання отримати можливість незалежного регулювання частоти та амплітуди коливань на всіх більш високих частотахразом з певними конструктивними зручностями, отримати більш високу стабільність частоти і т. д. Однак одночасного поліпшення всіх властивостей, як правило, досягти не вдається через їхню суперечливість, тому доводиться віддавати перевагу тій чи іншій схемі залежно від умов застосування.

Література:

1. Богданов Н. Г., Лисичкін В. Г. Основи радіотехніки та електроніки. Частина 8, 2000р.

2. Микільський І. Н., Хопов В. Б., Варокосін Н. П., Григор'єв В. А., Колесников А. А. Нелінійні радіотехнічні пристрої зв'язку. 1972.

Залежно від значень постійних напруг живлення, підведених до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта К ос можливі два режими самозбудження: м'який і жорсткий.

1.Режим м'якого самозбудження.

У цьому режимі робочу точку А вибирають на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики підсилювального елемента, що забезпечує початковий режим роботи підсилювального елемента без відсікання вихідного струму i вих (рис. №2).

Мал. № 2. Діаграма, м'якого режиму самозбудження.

У цих умовах самозбудження виникає від самих незначних змін вхідної напруги U вх, що завжди є в реальних умовах через флуктуації носіїв заряду.

Спочатку коливання в автогенераторі наростають відносно швидко. Потім через нелінійність вольт-амперної характеристики підсилювального елемента зростання амплітуди коливань уповільнюється, оскільки напруга на його вході потрапляє на ділянки вольт-амперної характеристики з дедалі меншою статичною крутістю, а це призводить до зменшення середньої крутості S ср і коефіцієнта передачі К ос ланцюга зворотного зв'язку.

Наростання коливань відбувається до тих пір, поки коефіцієнт передачі зменшиться до одиниці. В результаті в автогенераторі встановити стаціонарний режим, якому відповідає певна амплітуда вихідних коливань, причому кут відсічення вихідного струму 0>90 0 . Частота цих коливань дуже близька до резонансної частоти коливальної системи.

Якби підсилювальний елемент мав лінійну вольт-амперну характеристику, наростання амплітуди автоколивань відбувалося б нескінченно, що фізично неможливо. Тому в лінійному ланцюзі отримати стійкі автоколивання із постійною амплітудою неможливо.

Через нелінійність воль-амперної характеристики форма вихідного струму i вих підсилювального елемента виходить несинусоїдальною. Однак при досить великій добротності (50...200) коливальної системи перша гармоніка цього струму і, отже, напруга на виході автогенератора є майже гармонійними коливаннями.

2. Режим жорсткого самозбудження.

При цьому режимі напругу усунення U 0 задають таким, щоб при малих амплітудах вхідної напруги струм через підсилювальний елемент не проходив. Тоді незначні коливання, що виникли в контурі, не можуть викликати струм вихідного ланцюга, і самозбудження автогенератора не настає. Коливання виникають лише за їх досить великий початкової амплітуді, що завжди можна забезпечити. Процес виникнення та наростання коливань при жорсткому режимі самозбудження ілюструє за допомогою рис.

Рис. № 3. Діаграма жорсткого самозбудження

З розгляду цього малюнка видно, що при малих початкових амплітудах вхідної напруги (крива1) струм i вих =0 та автоколивання не виникають. Вони виникають тільки при досить великій початковій амплітуді напруги (крива 2) і швидко наростають до значення, що встановилося. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент працює біля кутів відсікання вихідного струму 0<90 0 .

Для зручності експлуатації автогенератора доцільніше застосувати м'який режим самозбудження, тому що в цьому режимі коливання виникають відразу після включення джерела живлення. Однак при жорсткому режимі коливань із кутом відсічення 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.

Автоматичне зміщення. Його застосування забезпечує можливість роботи автогенератора при початковому включенні в режимі м'якого самозбудження з наступним автоматичним переходом у режим жорсткого самозбудження. Цього досягають застосуванням в автогенераторі спеціального ланцюга автоматичного усунення.

На рис.№ 4а зображено спрощену принципову схему автогенератора на біполярному транзисторі VT, навантаженням якого служить коливальний контур L2C2. Напруга позитивного зворотного зв'язку створюється на котушці L1 і підводиться між базою та емітером транзистора. Початкове напряжение6 усунення з урахуванням транзистора створюється джерелом включена ланцюг авто-смещения R1C1.

Процес виникнення та наростання коливань ілюструється за допомогою рис. № 4б. У момент після включення генератора, тобто. в момент появи коливань робоча точка А знаходиться на ділянці максимальної крутизни вольт-амперної характеристики транзистора. Завдяки цьому коливання виникають легко за умов м'якого режиму самозбудження. У міру зростання амплітуди збільшується струм бази, постійна складова якого створює падіння напруги U см на резисторі R1 (змінна складова струму проходить через конденсатор C1). Так як напруга U см прикладена між базою і емітером в негативній полярності, результуюча постійна напруга на базі U 0 - U см зменшується, що викликає зміщення робочої точки вниз за характеристикою транзистора і переводить автогенератор в режим роботи з малими кутами відсічення колекторного струму при цьому струму колектора i до і бази i б мають вигляд послідовності імпульсів, а напруга на виході U вих, створювана першою гармонікою колекторного струму, є синусоїдальним коливанням з незмінною амплітудою.

Таким чином, ланцюг автоматичного зміщення R1C1в автогенераторі виконує роль регулятора процесу самозбудження і забезпечує в початковий момент умови м'якого самозбудження з подальшим переходом більш вигідний режим з малими кутами відсічення.