5. Автоколебательные системы

5.1. Понятие об автоколебаниях

Колебания, возникающие на выходе ряда устройств (усилителей, детекторов, преобразователей частоты и др.) возникают лишь под действием внешних колебаний, подаваемых на вход системы. Такие колебания называются вынужденными. Форма и параметры вынужденных колебаний зависят как от параметров устройства, так и от параметров внешнего воздействия.

Определение. Колебания, самостоятельно возникающие в отсутствие внешних воздействий, называются автоколебаниями, а устройства, в которых они возникают – автоколебательными.

Автоколебательными устройствами в радиотехнике являются автогенераторы, называемые также генераторами колебаний. Основные особенности автоколебаний:

1. возникают не за счет внешнего воздействия на систему, а за счет ее особых свойств;

2. параметры генерируемых автоколебаний: форма, амплитуда, частота, определяются свойствами самой системы;

3. автоколебания содержат в себе определенный запас энергии.

На рис. 5.1 приведена структурная схема автоколебательной системы.

Рис. 5.1

На рис. 5.2 приведен пример конкретной реализации автоколебательной системы в виде простейшего лампового генератора.

---

Рис. 5.2

В большинстве случаев в автогенераторах применяются источники энергии постоянного направления передачи (постоянного тока или напряжения). Такие генераторы – преобразователи энергии постоянного направления в энергию колебаний. На рис. 5.2 роль источника играет батарея в анодной цепи лампы. Колебательная система определяет частоту колебаний. На рис. 5.2 роль колебательной системы выполняет колебательный контур, определяющий частоту колебаний. Клапан регулирует поступление энергии от источника в колебательную систему отдельными порциями, поддерживая колебания в системе. Колебательная система вырабатывает сигнал обратной связи, который через цепь обратной связи (трансформатор - на рис. 5.2) управляет работой клапана (моментами передачи энергии от источника в систему).

Автоколебательные системы со специальной цепью управления работой клапана называются системами с внешней обратной связью.В некоторых генераторах – свнутренней обратной связью, таких цепей нет, и управление работой клапана осуществляется по тому же каналу, по которому клапан управляет работой колебательной системы. Изучение работы автогенераторов этой группы ведется на основе понятия отрицательного сопротивления.

Ламповый генератор (см. рис. 5.2) является системой с внешней обратной связью. На рис. 5.3 показана его эквивалентная схема по переменному току, состоящая из усилителя с коэффициентом передачи по напряжениюи цепи обратной связи.с аналогичным коэффициентом передачи.

Рис. 5.3

Тогда на рис. 5.2, например, цепи прямой передачи с коэффициентом соответствует резонансный усилитель с входным сигналом – напряжениеммежду сеткой и катодом лампы, и выходным сигналом – напряжениеммежду анодом и катодом лампы. Цепи обратной связи соответствует трансформатор с коэффициентом взаимной индукции между обмотками. В усилителе обычно происходит увеличение амплитуды и мощности колебаний, а в цепи обратной связи – уменьшение этих величин.

В большинстве случаев возбуждение колебаний в генераторе происходит под действием флуктуаций тока и напряжения. Такой механизм возбуждения называется самовозбуждением.Причина флуктуаций – тепловое движение носителей электрического тока и дискретная природа носителей электрического заряда. Флуктуации проявляются в электрическом шуме, спектр которого содержит любые частоты. В момент замыкания цепи лампового генератора ток в его анодной цепи представляет собой такой шум. Из-за явления резонанса из всех гармоник колебаний тока наибольшие по амплитуде колебания напряжения получаются на частотах, близких к резонансной частоте контура. На других частотах колебания напряжения на контуре имеют пренебрежимо малую амплитуду. Через трансформаторную связь выделенные контуром колебания напряжения подаются на сетку лампы. Таким образом, режим работы лампы управляется сигналом обратной связи. Переданные на сетку колебания напряжения усилят те колебания сеточного напряжения, которые синфазны уже существующим там колебаниям. Произойдет усиление колебаний сеточного напряжения, которое, в свою очередь, вызовет усиление колебаний анодного тока на той же частоте. В результате произойдет самовозбуждение электрических колебаний в генераторе, если коэффициент передачи напряжения по замкнутой цепи генератора.

Автоколебательные системы широко распространены в природе и технике: в часах периодические колебания совершаются за счет перехода энергии упругой деформации заведенной пружины, в смычковых и духовых музыкальных инструментах звуковые колебания возникают, соответственно, за счет усилия постоянного направления смычка на струну и движения воздушной струи. Проявления автоколебаний разнообразны, но их закономерности – общие. Это позволяет использовать одни и те же по виду уравнения и методы для анализа разных автоколебательных систем.