3. Генераторы гармонических колебаний

3.1. Назначение и классификация электронных генераторов

Электронными генераторами называют устройства, преобразующие с помощью управляющих элементов энергию источника питания в энергию электрических колебаний заданной частоты и формы. Внутренним клас­сификационным признаком генераторов является принцип управления ре­жимом их работы. По этому признаку различают генераторы с независи­мым возбуждением, режимом работы которых управляют от внешнего ис­точника переменного напряжения, и генераторы с самовозбуждением - автогенераторы.

По форме выходных колебаний различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы колебаний несинусоидальной формы (прямоугольной, пилообразной и др.), которые называют релак­сационными (импульсными). Работа последних характеризуется специфи­ческими особенностями и здесь не рассматриваются.

Гармонические колебания в генераторах поддерживаются резонансны­ми контурами либо другими резонирующими элементами (кварцы, объем­ные резонаторы и т.п.) или с помощью фазирующих RC-цепей, включае­мых в цепь обратной связи усилителей. Первые называются LC-, а вто­рые RC- генераторами гармонических колебаний. Маломощные LC-генера­торы применяются в измерительных и регулирующих устройствах, а так­же служат в качестве задающих генераторов в радиопередатчиках. LC-генераторы средней и большой мощности широко используются для питания технологических установок ультразвуковой обработки материа­лов, установок индукционного нагрева металлов и диэлектриков, электронных микроскопов и др. RC-генераторы применяются как задаю­щие устройства в системах преобразования постоянного тока в пере­менный, а также различного рода измерительных приборах и системах.

3.2. Условия самовозбуждения автогенераторов

На рис.3.1 приведена структурная схема автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и цепи положитель­ной обратной связи с коэффициентом обратной связи β.

В усилителе, охваченном обратной связью, входное и выходное нап­ряжение связаны между собой соотношениями:

U_вх = βU_вых; U_вых = КU_вх.

Подстановка одного выражения в другое дает следующее уравнение

U_вых = КβU_вых, справедливое при условии Кβ = 1.

Выполнение данного условия обеспечивает в автогенераторе незату­хающие колебания. Величины К и β комплексные, обозначив через α₁ и α₂ аргументы комплексных чисел К и β, получим условия, при которых выполняется последнее равенство:

α₁ + α₂ = 0 - условие баланса фаз;

βК = 1 - условие баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что в схеме имеется положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются энергией от источника питания с помощью цепи положительной обратной связи.

3.3. Lc-автогенераторы

Простейшая схема LC-генератора приведена на рис.3.2,а. Катушка резонансного контура L_б индуктивно связана с катушкой L_к, включен­ной в коллекторную цепь транзистора. При подаче напряжения питания в колебательном контуре появляются слабые колебания с частотой

,

которые в отсутствие положительной обратной связи должны прекра­титься из-за потерь энергии в колебательном контуре. Появившийся в контуре переменный ток усиливается транзистором. Эти колебания че­рез катушку L_к, индуктивно связанную с катушкой L_б, вновь возвраща­ются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает до определенной величины (рис.3.2,б), определяемой нелинейностью вольт-амперных характеристик транзистора.

Мощность в колебательном контуре, включенном в базовую цепь уси­лителя, будет небольшой, так как ток и напряжение в базовой цепи имеют малые величины. По этой причине такие генераторы применяются редко. Чаще всего используются генераторы, в которых колебательный контур включен по схеме рис.3.3,а.

В этом автогенераторе мощность колебательного контура значитель­но больше, чем в предыдущей схеме. Наличие конденсатора С предотв­ращает проникновение постоянной составляющей коллекторного тока в катушку L_к. В противном случае это вызвало бы дополнительный нагрев ее, а при использовании сердечника - его подмагничивание. Дроссель L препятствует короткому замыканию контура по переменной составляю­щей через источник питания Е_к, иначе автогенератор перестал бы воз­буждаться. В этой схеме, как и в предыдущей, используется трансфор­маторная обратная связь. Кроме того, применение находят генераторы с автотрансформаторной обратной связью (рис.3.3,б), так называемые трехточечные схемы (контур включается в схему тремя точками). Поми­мо автогенераторов с индуктивной трехточечной схемой существуют ав­тогенераторы с емкостной трехточечной схемой.