Тема12(2ч): Электронные генераторы

Лекция 12(2ч)

Основные понятия, LC, RC генераторы

Генераторами называются автоколебательные системы, в которых энергия источника постоянного тока преобразуется энергию незатухающих электрических сигналов переменного тока, частоты и мощности.

В зависимости от формы колебаний различают автогенераторы синусоидальных и импульсных (ре­лаксационных) колебаний.

Автогенераторы (генераторы с самовозбуждением) используются в качестве возбудителей колебаний требуемых частот, т. е. задающих генераторов. Получаемые от них колебания поступают затем в последующие каскады с целью усиления или умножения частоты. Они находят широкое применение в радио­передающих и радиоприемных устройствах, в ЭВМ, в измерительной технике, в автоматике и телемеханике и т. д. Любой усилитель может быть превращен в автогенератор, если его охватить положительной обратной связью и обеспечить выполнение условия , где - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Высокочастотные автогенераторы, работающие в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц, выполнен­ные на основе схемы резонансного усилителя, часто называются генераторами LC- типа. Низкочастотные автогенераторы, работающие в диапазоне от 0,01Гц до 100 кГц, построенные на основе схемы усилителя на резисторах, называются генераторами RC-типа.

Колебательный контур

В электронной аппаратуре часто появляется необходимость использования колебательных контуров.

Колебательным контуром называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из индуктивности L и емкости С. Контур является идеальным, если в нем отсутствуют потери энергии, но во всяком реальном контуре кроме индуктивности и емкости имеется активное сопротивление , которое распределено в катушке индуктивности и частично в соединительных проводах и диэлектрике конденсатора. Активное сопротивления вызывает потери энергии в контуре.

Свободными колебаниями в контуре называют колебания, возникающие в нем за счет энергии, первоначально накопленной в электрическом поле конденсатора либо в магнитном поле катушки. В идеальном контуре свободные колебания являются незатухающими, т, е. могут продолжаться бесконечно долгое время.

Колебательный контур, близкий по своим свойствам к идеальному, можно получить, замкнув в контуре, изображенном на рис. 6.1 а, ключ К. Если переключатель S поставить в положение 1, конденсатор С зарядится от источника питания напряжения Е₀. При переводе переключателя в положение 2 конденсатор С начнет разряжаться через катушку L.По мере разряда конденсатора возрастает и энергия переходит в энергию магнитного поля катушки. Когда конденсатор полное разряжается, напряжение на его обкладках исчезает. В это время ток в контуре максимальный. Так теперь отсутствует сила, поддерживающая ток, то он начинает уменьшаться. При этом увеличивается ЭДС самоиндукции обратной полярности и конденсат заряжается с новой полярностью. Роль источника в это время выполняет катушка. По мере заряда, конденсатора напряжение на его обкладках возрастает, а ток в контуре убывает. После оконча­ния зарядки конденсатор начинает разряжаться че­рез катушку, и процесс повторяется. На рис. 6.1,6 показаны графики изме­нения напряжения и тока в идеальном контуре.

Угловая частота свободных колебаний конту­ра зависит от его па­раметров:

Частное от деления на­пряжения на ток в конту­ре называется волновым сопротивлением контура:

Индуктивное сопротив­ление катушки и емкостное сопротивление конденса­тора при свободных колебаниях равно волновому сопротивлению контура: . Частота свободных колебаний

рис. 6.1

Длина волны, соответствующая частоте свободных колебаний, .

Если ключ К разомкнуть, то в контуре появятся активные потери. В этом случае колебания в контуре скажутся затухающими (рис. 6.1, в). В течение каж­дого периода колебаний часть первоначально запасен­ной энергии будет безвозвратно теряться в активном сопротивлении контура. Чем больше активное сопро­тивление, тем быстрее уменьшаются амплитуды тока и напряжения.

Для оценки качества колебательного контура вводится понятие добротности контура- Q. Доброт­ность равна отношению волнового сопротивления  к активному сопротивлению контура R:

Величина, обратная добротности, называется затуханием контура:

Чем больше добротность, тем дольше существуют свободные колебания и тем выше качество контура.

Генераторы LC- типа

Любой автогенератор LC- типа состоит из:

• колебательного контура, в котором возбуждаются незату­хающие колебания требуемой частоты;

• источника электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания;

• транзистора, посредством которого регулируется подача энергии, от источника в контур;

• элемента обратной связи, обеспечивающего передачу переменного напряжения необходимой величины из выходной цепи во входную, для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре.

Простейшая схема автогенератора LC- типа на транзисторе приведена на рис. 6.2, а.

Такая схема называется генератором с трансфор­маторной связью. Колебательный контур состоит из индуктивной катушки и конденсатора . Источ­ником энергии является источник постоянного напря­жения который отдает часть энергии в колеба­тельный контур в моменты, когда в его внешней це­пи, состоящей из колебательного контура и парал­лельно соединенного с ним транзистора, проходит ток. Регулятором служит транзистор, цепью обрат­ной связи- катушка , индуктивно связанная с колебательным контуром.

При включении источника питания в коллектор­ной цепи транзистора возникает ток коллектора, который заряжает конденсатор колебательного контура. После заряда конденсатор разряжается на катушку . В результате в контуре возникают свободные колебания с частотой которые индуцируют в катушке связи переменное напряжение той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора (см. рис.6.3, б). Переменная составляю­щая этого тока восполняет потери энергии в контуре, создавая в нем усиленное транзистором переменное напряжение. (Повышение напряжения на контуре приводит к новому нарастанию напряжения на катушке обратной связи , которое вызовет нарастание амплитуды переменной составляющей коллектор­ного тока, и т.д. В установившемся режиме рост тока в контуре ограничивается сопротивлением потерь, а также затуханием, вносимым в контур за счет прохождения тока по обмотке обратной связи .

Элементы схемы , , , предназначены для обеспечения необходимого режима работы по по­стоянному току и его термостабилизации. Дроссель является препятствием для переменной состав­ляющей коллекторного тока, а конденсатор для его постоянной составляющей.

Незатухающие колебания в контуре автогенера­тора установятся лишь при выполнении двух основ­ных условий. Первое из этих условий называют условием баланса фаз, которое сводится к тому, что в схеме генератора должна быть установлена положительная обратная связь между выходной и входной цепями транзистора. В этом режиме обеспечивается восполнение потерь энергии в контуре. Практически фазовое условие удовлетворяется, если напряжения коллекторе и базе будут сдвинуты на , т.е. находится в противофазе. Это достигается соответс­твующим включением концов катушек и . При отсутствии самовозбуждения необходимо переклю­чить концы катушки . Второе условие называют условием баланса амплитуд, которое состоит в том, что для возникновения автоколебательного режима необходима положительная обратная связь с выхода усилительного элемента на его вход, причем зату­хание в контуре должно компенсироваться.

Практически глубина положительной обратной связи должна быть такой, чтобы полностью восполнялись потери энергии в контуре.

Помимо рассмотренной выше схемы с трансфор­маторной связью широкое распространение получили трехточечные схемы с индуктивной автотрансформа­торной (рис. 6.3, а) и емкостной (рис. 6.3, б) обратно связью (ОС).

В этих схемах колебательный контур подключен к электродам транзистора (по переменному току) тремя точками: эмиттер, коллектор, база. Элементы контура к электродам транзистора должны подключаться так, чтобы выполнялось фазовое условие самовозбуждения генератора. В автотрансформаторной схеме с индуктивной ОС (рис. 6.3, а) напряжение ОС снимается с части витков контурной катушки, которые заключены между эмиттером и базой транзистора, и через конденсатор С1 подается на базу. Мгновенные значения напряжений па катушках и относительно средней точки противоположны (сдвинуты по фазе на 180°).

В результате в схеме устанавливается положитель­ная ОС и обеспечивается баланс фаз.

Амплитудное условие самовозбуждения удовлет­воряется подбором значения ОС (числа витков катушки связи).

В схеме с емкостной ОС (рис. 6.3, б) резонансный колебательный контур образован конденсаторами С1, С2 и катушкой . Напряжение ОС снимается с кон­денсатора С2. Фазовое условие самовозбуждения в схе­ме удовлетворяется, поскольку полярности мгновенных значений напряжений на конденсаторах противоположны по знаку. Условия баланса амплитуд обеспечиваются выбором емкости конденсатора С2 (при ее увеличении ОС уменьшается).

Генераторы RC-типа

Для решения ряда электротехнических задач тре­буются низкочастотные автогенераторы синусоидаль­ных колебаний, работающие в диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Генерация таких коле­баний с помощью LC-генераторов связана с больши­ми конструктивными трудностями. В LC-генераторах при уменьшении частоты генерации необходимо уве­личивать индуктивность и емкость колебатель­ного контура, так как . Увеличение емко­сти и индуктивности колебательного контура приво­дит к резкому возрастанию его габаритов и массы. Этого недостатка лишены автогенераторы RC-типа, в которых вместо колебательных контуров используются избирательные RC-фильтры. Структур­ная схема RС-генератора изображена на рис. 6.4.

Рис.6.4 Рис.6.5

В этой схеме используется обычный резистивный усилитель. Для самовозбуждения усилителя его необ­ходимо охватить положительной обратной связью, т. е. на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающего входное или равное ему но величине и совпадающее с ним по фазе.

Для обеспечения необходимого фазового сдвига па частоте генерируемых колебаний применяют фазовращающие цепочки, которые имеют несколько RC-звеньев и служат для поворота фазы выходного напря­жения усилителя на 180°. В связи с тем что одно RC-звено изменяет фазу на угол меньше 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки равно трем. Для того чтобы частота генерируемых колеба­ний зависела, главным образом, от параметров фазо­вращающей цепочки, а амплитуда колебаний остава­лась бы стабильной в заданном диапазоне частот, уси­литель должен обладать большим коэффициентом усиления по току, значительным входным сопротивлением и относительно малым выходным сопротивлением.

На рис. 6.5 изображена простейшая схема генератора RC-типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой.

Работа автогенератора начинается с момента подачи на него напряжения . Делитель напряжений , обеспечивает открытие транзистора VT. При этом возникает импульс коллекторного тока, который содержит широкий спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Генерирование незатухающих колебаний требуемой частоты осуществляется за счет обеспечения фазовых и амплитудных условий самовозбуждения Обеспечение фазовых условий достигается с помощью подбора соотношений между резисторами конденсаторами. В результате получается фазовый сдвиг в 180° между напряжениями на коллекторе и базе. Для выполнения амплитудного условия коэффициент обратной связи должен быть равен

где -коэффициент передачи тока транзистор включенного по схеме с ОЭ.

Рабочие формулы
Цепи постоянного тока
Последовательное соединение сопротивлений	R=ΣRi	Сопротивление цепи из последовательно соединенных сопротивлений равно их сумме.
Параллельное соединение сопротивлений	R=1/ΣYi где Yi=1/Ri	Сопротивление цепи из параллельно соединенных сопротивлений равно их обратой суммарной проводимости.
Закон Ома	U=R·I	Падение напряжения на сопротивлении, через который протекает ток I, равно произведению тока на сопротивление.
1-ый Закон Кирхгофа	ΣIi=0	Сумма токов сходящихся в узле =0
2-ой Закон Кирхгофа	Σ Ri·Ii = ΣU I = ΣЕк	В замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжений равна алгебраическая сумме ЭДС действующих в этом контуре.