3.6. Генераторы гармонических колебаний

3.6.1. 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.

3.6.2. Условия самовозбуждения автогенераторов

На рис.3.32 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.

3.6.3. Lc-автогенераторы

Простейшая схема LC-генератора приведена на рис.3.33,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.3.33,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 в цепь коллектора.

Кроме трансформаторной обратной связи, применение находят генераторы с автотрансформаторной обратной связью, так называемые трехточечные схемы (контур включается в схему тремя точками).

Используют автогенераторы с индуктивной и емкостной трехточечной схемой.