Раздел 2. Генераторы с самовозбуждением – автогенераторы Лекция 19

Генератор с самовозбуждением – автогенератор (АГ). Сходство и различие ГВВ и АГ. Назначение АГ и предъявляемые к ним требования в радиоаппаратуре. Единая эквивалентная схема АГ на электронной лампе и биполярном транзисторе. Уравнение установившегося режима АГ. Баланс фаз, баланс амплитуд в АГ. Условие самовозбуждения АГ. Одноконтурные АГ: особенности, схемы, область применения. Выбор АЭ для АГ и режима его работы. Основы расчёта режима и схемы АГ. Обобщённая трёхточечная схема АГ. Ёмкостная и индуктивная трёхточки АГ, сравнение их.

В настоящей лекции мы будем вести речь об автогенераторах гармонических электрических колебаний, выполняемых на электронных лампах и биполярных транзисторах (БТ), отрицательное сопротивление¹в схемах которых появляется за счёт положительной обратной связи. Использование электронных ламп и транзисторов позволяет построить автогенератор (АГ) практически на любую частоту и мощность, что и обусловливает их самое широкое распространение в радиоаппаратуре. АГ является первичным источником гармонического сигнала в любой радиотехнической системе, в первую очередь в радиопередатчике. Нас будут интересовать АГ высокочастотных, то есть радиочастотных, колебаний. Как всякая радиочастотная цепь, интересующие нас АГ строятся с использованием индуктивныхLи ёмкостныхСэлементов. Поэтому такие АГ называютL,С-автогенераторами, отличая этим их от относительно низкочастотныхR,C-автогенераторов.

Отличие любого АГ на лампе или транзисторе от ГВВ на такой же лампе или таком же транзисторе состоит в том, что в АГ сигнал возбуждения на управляющий (входной) электрод АЭ подаётся не от стороннего (внешнего) источника, а от собственной нагрузки в выходной (анодной или коллекторной) цепи АЭ через цепь обратной связи. Поэтому в АГ частота получаемых колебаний определяется не внешним источником, как в ГВВ, а его собственными параметрами: электрической цепью, присоединённой к лампе или транзистору, и режимом лампы или транзистора. В силу этой отмеченной особенности автогенераторы называются также генераторами с самовозбуждением, в отличие от генераторов с внешним или независимым возбуждением (ГВВ).

На рис.19.1,апредставлена уже хорошо известная нам схема ГВВ на триоде с общим катодом. На рис.19.1,бпоказано преобразование этой схемы ГВВ в АГ. Аналогично можно представить схемы на транзисторе.

Выше мы отмечали, что в АГ сигнал возбуждения, в отличие от ГВВ, подаётся не от внешнего источника, а от собственной нагрузки в выходной цепи АЭ через цепь обратной связи. В схеме рис.19.1,бтакая цепь формируется с использованием катушек индуктивностиL₁иL₂.

Для того, чтобы схема рис.19.1,бработала как генератор с самовозбуждением, то есть как АГ, необходимо выполнение ряда условий.

Первое и основное условие известно как условие самовозбуждения АГ. Это условие раскрывает нам, в каком случае схема рис.19.1,бстановится источником периодических колебаний, то есть автогенератором. На аналитическом определении условия самовозбуждения АГ мы остановимся ниже, а сейчас затронем только физическую картину процесса самовозбуждения в схеме рис.19.1,б.

При включении всех питающих напряжений в схеме рис.19.1,бв начальный момент появляется нестационарный анодный токi_А(в случае транзистора коллекторный токi_К), который протекает через ёмкостнуюС_Ки индуктивнуюL_Кветви контура в выходной цепи АЭ – генераторного прибора: лампы или транзистора. Протекающий через индуктивную ветвь контура ток создаёт переменную ЭДС в цепи катушкиL₂, которая через катушкуL₁и катушку во входной цепи АЭ (L_Св ламповом генераторе рис.19.1,б) прикладывается ко входу АЭ, обусловливая сигнал возбужденияu_C (t) (в случае транзистораu_Б (t)). При правильном выполнении цепи обратной связи, обеспечивающем определённую величину связи между парами связанных катушек и соответствующую полярность соединения катушекL₁,L₂, наводимый сигнал возбуждения будет увеличивать нестационарный ток в цепи контура, что, в свою очередь, приведёт к дальнейшему росту переменной ЭДС и сигнала возбуждения и т.д. Если же цепь обратной связи будет выполнена неправильно, то появившаяся переменная ЭДС и соответствующий сигнал возбуждения будут уменьшать нестационарный ток в цепи контура, что, в свою очередь, будет уменьшать переменную ЭДС и сигнал возбуждения, в результате чего нестационарный процесс в схеме затухнет.²

Благодаря тому, что в схеме имеется избирательная цепь (контур С_К,L_К), из нестационарного тока избирается периодическая компонента с частотой, практически совпадающей с резонансной частотой избирательной цепи, то есть в схеме появляются практически гармонические колебания с частотой, равной резонансной частоте контура.

Рассмотренный выше процесс нарастания переменной компоненты выходного тока АЭ, соответственно и переменных напряжений в схеме, не будет протекать беспредельно. Генераторный прибор: лампа или транзистор представляет устройство, не дающее возможности току возрастать до бесконечности. Известно, что ток лампы или транзистора ограничивается током насыщения. Практически, благодаря нелинейности статических ВАХ лампы или транзистора, процесс самовозбуждения устанавливается при значениях токов, не достигающих тока насыщения.

После достижения током генераторного прибора определённой величины в схеме устанавливаются стационарные колебания, то есть колебания, амплитуда и частота которых остаются постоянными. При этом роль генераторного прибора сводится к поддержанию постоянства этих колебаний. Условия, при которых в схеме поддерживаются постоянные колебания, определяются основным уравнением АГ в установившемся режиме и известны как условия баланса фаз и баланса амплитуд.

В дальнейшем мы рассмотрим различные практические схемы АГ, которые будут заметно отличаться от схемы рис.19.1,б.³Однако все рассматриваемые схемы АГ могут быть представлены в виде единой эквивалентной схемы рис.19.2, которая состоит из двух параллельно включенных четырёхполюсников: активного, описывающего работу генераторного прибора (лампы или транзистора), и пассивного, образованного электрической цепью, присоединённой к генераторному прибору. Эта цепь определяет в основном частоту автоколебаний и выполняет функцию обратной связи.

Общие соотношения для установившегося режима АГ. Условие самовозбуждения АГ

Примем, что в схеме рис.19.2 прошёл процесс самовозбуждения и в ней установились стационарные гармонические колебания с соответствующими комплексными амплитудами токов и напряжений. Каждый четырёхполюсник можно характеризовать своим, в общем случае, комплексным коэффициентом передачи. Если принять, что в установившемся режиме со стороны одного плеча каждого четырёхполюсника в схеме рис.19.2 действует напряжение комплексной амплитуды , а со стороны другого плеча действует напряжение комплексной амплитуды, то комплексный коэффициент передачи по напряжению активного четырёхполюсника⁴

(19.1)

а комплексный коэффициент передачи по напряжению пассивного четырёхполюсника

. (19.2)

Очевидно, в установившемся режиме должно выполняться соотношение

или . (19.3)

Соотношение (19.3) часто называют основным уравнением АГ.

С учётом (19.1), (19.2) соотношение (19.3) распадается на два:

(19.4)

(19.5)

Первое выражение (19.4) определяет так называемое условие баланса амплитуд и означает, что в стационарном состоянии величина коэффициента передачи по замкнутому контуру в схеме рис.19.2 равна единице. В случае АГ это также указывает, что мощность, доставляемая генераторным прибором от источников питания в цепь схемы, равна мощности потерь в элементах цепи.

Второе выражение (19.5) определяет условие баланса фаз и означает, что при обходе рассматриваемой цепи (рис.19.2) мы получаем колебание в той же фазе. Применительно к АГ это означает, что фазовый сдвиг входного и выходного напряжений, вносимый АЭ, должен быть скомпенсирован электрической цепью, включаемой между выходом и входом АЭ. Эта цепь позволяет обеспечить нужный режим работы АЭ и через неё осуществляется обратная связь.

Активный четырёхполюсник в схеме (рис.19.2), соответствующий АЭ, в общем случае является нелинейным четырёхполюсником. Собственно, только благодаря нелинейности ВАХ лампы или транзистора в схеме АГ устанавливаются колебания определённой амплитуды. В нелинейной электрической цепи, содержащей АЭ, коэффициент передачи по напряжению зависит от величины (амплитуды) входного воздействия, причём, в общем случае величина этого коэффициента уменьшается с ростом входного напряжения.⁵Именно такую зависимость мы имеем в ГВВ на лампах и транзисторах. Следовательно, в схеме (рис.19.2) величина коэффициента передачи активного четырёхполюсника

будет тем меньше, чем больше U₁. Так как в установившемся режиме АГ амплитуда колебаний всегда больше, чем на начальной стадии самовозбуждения, то величина коэффициента передачи по напряжению активного четырёхполюсника в установившемся режиме всегда меньше, чем в начальный момент. Обозначим величину коэффициента передачи активного четырёхполюсника при малом значенииU₁черезK₀, тогда

K₀>K. (19.6)

Коэффициент передачи пассивного четырёхполюсника не зависит от действующих напряжений, следовательно, в схеме (рис.19.2)

β=const.

Очевидно, если в (19.4) вместо Kмы подставимK₀, удовлетворяющее (19.6), то вместо равенства получим неравенство

K₀β> 1, (19.7)

которое можно также записать в виде

β> 1/K₀=β_КРИТ, (19.8)

где β_КРИТ– критическое (минимально допустимое) значение коэффициента передачи пассивного четырёхполюсника.

Соотношение (19.7) является условием самовозбуждения АГ. Соотношение (19.8) является другой формой записи условия самовозбуждения АГ.

Величина G=K₀βв теории АГ называется фактором генерации и в схемах ламповых и транзисторных АГ обычно принимается

G= 2…3. (19.9)

Такая величина фактора генерации создаёт необходимый запас в условии самовозбуждения АГ при изменении питающих напряжений и параметров генераторного прибора.

Так как фазы коэффициентов передачи φ_Kиφ_βсвязаны с частотой сигнала АГ, то условие баланса фаз (19.5) может использоваться для определения частоты автоколебаний в схеме АГ.

Амплитуда колебаний АГ в установившемся режиме может быть найдена из условия баланса амплитуд. Для этого необходимо построить зависимость величины коэффициента передачи по напряжению генераторного прибора от величины входного напряжения, то есть зависимостьK(U₁) (рис.19.3). В установившемся режиме должно выполняться соотношениеK(U₁) = 1/β, вытекающее из баланса амплитуд (19.4). Поэтому в установившемся режиме амплитудаU_{1 УСТ}определяется как точка пересечения кривойK(U₁) и горизонтальной прямой 1/β(рис.19.3). Амплитуда выходного напряжения АГ в установившемся режиме

U_{2 УСТ}=U_{1 УСТ}/β.

Одноконтурные АГ

Электрическая цепь, присоединяемая к АЭ АГ: лампе или транзистору, носит название колебательной системы АГ. Колебательная система одноконтурного АГ представляет одиночный параллельный колебательный контур, составленный из элементов с сосредоточенными параметрами. Характерной особенностью одноконтурных АГ является то, что при заданных параметрах элементов схемы они имеют одну частоту генерации, практически совпадающую с резонансной частотой контура.

Рассматриваемые ниже схемы одноконтурных АГ отличаются друг от друга построением цепи обратной связи, по которой колебания из выходной цепи АЭ подаются в его входную цепь.

Одноконтурные ламповые АГ

Для облегчения самовозбуждения лампового АГ, как правило, используется сеточное автосмещение, так что в начальный момент возникновения колебаний рабочая точка лампы находится на участке статических характеристик анодного тока с практически максимальной крутизной. Иногда применяется комбинированное автосмещение: часть напряжения смещения создаётся за счёт сопротивления в цепи катода (катодное автосмещение), а часть – за счёт сопротивления в цепи сетки (сеточное автосмещение). Применение комбинированного автосмещения позволяет облегчить режим работы лампы по анодной цепи, что особенно важно в мощных АГ, так как за счёт анодного тока всегда имеется отрицательное смещение, уменьшающее мощность, рассеиваемую на аноде в начальный период, когда потребляемая от источника анодного питания мощность велика, а создаваемая колебательная мощность мала, так как процесс нарастания и установления амплитуды колебаний не завершился. На рис.19.4 показано перемещение рабочей точки лампы АГ с момента включения (t₀) при сеточном и катодном автосмещении. Применение сеточного автосмещения способствует стабилизации режима работы лампы по напряжённости, как в ГВВ: увеличение напряжённости режима работы увеличивает сеточный ток, что, в свою очередь, увеличивает отрицательное напряжение смещения, а это приводит к уменьшению напряжённости режима.

Рассмотрим основное уравнение АГ, баланс амплитуд, баланс фаз и условие самовозбуждения применительно к ламповому АГ.

Очевидно, оптимальным по напряжённости режимом работы лампы в АГ, как и в ГВВ, можно считать критический режим, так как напряжённость режима лампы зависит от напряжений на её электродах и неважно, подаются эти напряжения извне или создаются в схеме самого генератора. Полагая в общем случае амплитуды гармонических напряжений, действующих на электродах лампы в АГ, комплексными, статическую крутизну анодного тока и сопротивление нагрузки лампы также комплексными, при кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного тока для недонапряжённого вплоть до критического режима лампы можно записать аналогичное ГВВ выражение:

(19.10)

из которого, учитывая, что в обозначениях схемы (рис.19.2) , находим:

(19.11)

где - средняя крутизна (по первой гармонике) анодного тока;– сопротивление колебательной системы (контура) АГ относительно электродов (точек) анод – катод лампы.

Выражение (19.11) определяет комплексный коэффициент усиления по напряжению лампового генератора.

Отношение комплексных амплитуд напряжений в ламповом АГ носит название коэффициента обратной связи, который обозначим. Учитывая соответствие гармонических напряжений на электродах лампы АГ и плечах единой эквивалентной схемы АГ (рис.19.2), заключаем, что, то есть коэффициент обратной связи лампового АГ равен коэффициенту передачи по напряжению пассивного четырёхполюсника в схеме (рис.19.2). Соответственно основное уравнение АГ (19.3) применительно к ламповому АГ можно записать в виде:

или

(19.12)

Обратим внимание, что последнее выражение (19.12) можно сразу написать на основании (19.10), поделив левую и правую части (19.10) на и учтя, что. Мы это не сделали сразу специально, чтобы показать единство получаемых результатов при несколько разных подходах к вопросу. Попутно мы получили выражение для коэффициента усиления по напряжению лампового генератора в общем случае комплексной нагрузки и комплексной крутизны анодного тока, которое несомненно полезно для внимательного и вдумчивого читателя.⁶

Выражение (19.12) является основным уравнением лампового АГ.

Учитывая, что

,

,

а

,

уравнение лампового АГ можно записать в виде

,

из которого вытекает условие баланса амплитуд

S_CPZ_oe (k – D) =1 (19.13)

и условие баланса фаз

(19.14)

Так как S_CP=Sγ₁(θ) <S, аZ_oe≤R_oe, то подставляя в (19.13)SвместоS_CPиR_oeвместоZ_oe, получаем неравенство

SR_oe(k – D) > 1, (19.15)

которое является условием самовозбуждения лампового АГ.

Так как частота автоколебаний практически будет совпадать с резонансной частотой контура, то, принимая в условии баланса амплитуд (19.13) Z_oe=R_oe, можно записать его в виде

Sγ₁(θ)R_oe(k – D) =1. (19.16)

Учитывая, что в данном случае фактор генерации (19.9)

G = SR_oe(k – D) = 2…3,

из выражения (19.16) следует, что в установившемся режиме АГ имеет место

γ₁(θ) = 1/G = 0,33…0,5,

что соответствует значениям нижнего угла отсечки анодного тока в установившемся режиме 60° ≤ θ≤ 90°.

Таким образом, в практических схемах ламповых АГ при выборе фактора генерации в пределах (19.9), в установившемся режиме нижний угол отсечки анодного тока обычно не превышает 90°, как и в ГВВ. Поэтому при расчёте режима АГ нижний угол отсечки анодного тока обычно и выбирается в указанных пределах.

Рассмотрим классические схемы ламповых АГ, наиболее часто применяемые в радиотехнических устройствах.

а) Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Принципиальная схема такого АГ приведена на рис.19.5. Колебательная система АГ представляет одиночный параллельный колебательный контур, включенный по высокочастотному сигналу между анодом и катодом лампы, катушка индуктивности которого L_Киндуктивно связана с катушкойL_Cв сеточной цепи лампы, образуя с последней высокочастотный трансформатор. Данная схема родственна схеме ГВВ с общим катодом с трансформаторной связью с источником возбуждения (с последовательным питанием сетки) и является практической реализацией схемы рис.19.1,б.

Коэффициент обратной связи в схеме (рис.19.5), если не учитывать сеточный ток, равен

(19.17)

где - сопротивление активных потерь катушки контураL_K(на схеме не показано и обычно<<ωL_K);- ток через катушку контура, практически равный контурному току при совпадении частоты автоколебаний с резонансной частотой контура.

Для плавного изменения коэффициента обратной связи катушка L_C(катушка обратной связи) обычно выполняется в виде подвижной катушки вариометра. Такая схема отличается наибольшей гибкостью в отношении подбора коэффициента обратной связи. Частота автоколебаний изменяется с помощью ёмкости конденсатораC_K.

Часто применяют схему АГ с трансформаторной обратной связью, в которой величина обратной связи регулируется изменением коэффициента включения контура (рис.19.6). Коэффициент обратной связи в такой схеме при пренебрежении сеточным током и потерями в катушке контура

(19.18)

Подчеркнём, что - комплексная амплитуда напряжения между анодом и катодом лампы. На контуре, то есть на ёмкости и индуктивности контура, амплитуда колебательного напряжения больше.

При изменении коэффициента обратной связи в схеме изменяется коэффициент включения контура

и соответственно эквивалентное сопротивление контура относительно точек анод – катод лампы:

Оба эти параметра влияют на самовозбуждение АГ (19.15).

При записи соотношений (19.17), (19.18) учтено, что, по аналогии с ГВВ, переменные напряжения сетка-катод и анод-катод находятся в противофазе, что отражено на схемах рис.19.5 и рис.19.6 соответствующим направлением комплексных амплитуд напряжений. Именно это обстоятельство обусловливает положительную величину коэффициента обратной связи, определяемой (19.17), (19.18). Это также означает, что, в зависимости от схемы и конструкции, взаимное положение катушек L_K,L_Cи присоединение их концов к электродам лампы должно быть таким, чтобы обозначенные напряжения находились в противофазе. В противном случае схема не самовозбудится, так как не будет выполнен баланс фаз.

В схемах рис.19.5 и рис.19.6 используется последовательное питание анода. Возможно построение рассматриваемой схемы АГ с параллельным питанием анода, например, как показано на рис.19.7.

Вотличие от схем рис.19.5 и рис.19.6 в схеме рис.19.7 проще регулировать обратную связь, так как катушка контура не находится под постоянным напряжением источника анодного питанияЕ_А. Проще настраивать контур, так как ротор конденсатораС_Kможет быть заземлён. Однако при параллельном питании анода блокировочный дроссельL_БЛоказывает влияние на частоту автоколебаний, так как он входит в состав электрической цепи, подключаемой к лампе, и являясь реактивным элементом, непосредственно влияет на резонансную частоту колебательной системы АГ: блокировочный дроссель подключается параллельно колебательному контуруL_K,C_K. Аналогично, разделительный конденсаторС_Ртакже входит в состав колебательной системы АГ, равно как иС_БЛ. Но если собственными реактивными сопротивлениями этих конденсаторов при определении резонансной частоты колебательной системы АГ можно пренебречь, то монтажная ёмкость конденсатораС_Рподключается параллельно контуруL_K,C_Kи может оказать существенное влияние на частоту автоколебаний. Поэтому в схемах АГ предпочтение отдаётся схемам с последовательным питание анода, в которых требуется меньше дополнительных реактивных элементов, оказывающих влияние на резонансную частоту колебательной системы соответственно и на рабочую частоту АГ.

Очевидно, возможна реализация схемы с включением параллельного колебательного контура в цепь сетки и включением катушки связи в анодную цепь. В своё время подобные схемы использовались в гетеродинах радиоприёмных устройств с целью ослабления влияния последующего каскада (нагрузки) на частоту автоколебаний, то есть, по существу, на резонансную частоту контура.