Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная электроника. Учебное пособие
.pdf
энергии, но во всяком реальном контуре кроме индуктивности и
емкости имеется активное сопротивление R, которое распределено в катушке индуктивности и частично в соединительных
проводах и диэлектрике конденсатора. Активное сопротивление
вызывает потери энергии в контуре.
а б в
Рисунок 23
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
рисунке 23а, 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 полностью 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
-71-
на его обкладках возрастает, а ток в контуре убывает. После
окончания зарядки конденсатор начинает разряжаться через катушку, и процесс повторяется. На рисунке 23б показаны графики изменения напряжения и тока в идеальном контуре.
Угловая частота свободных колебаний контура зависит от
его параметров:
1
=ω
0
.
LC
Частное от деления напряжения на ток в контуре называется волновым сопротивлением контура:
U
m
I
m
L
==ρ .
C
Индуктивное сопротивление катушки и емкостное сопротивление конденсатора при свободных колебаниях равно волно-
вому сопротивлению контура: ρ==CLXX . Частота свободных колебаний:
f
0
1
=
π
2
.
LC
Длина волны, соответствующая частоте свободных колебаний, LC
8
1032 ⋅⋅π=λ .
Если ключ К разомкнуть, то в контуре появятся активные
потери. В этом случае колебания в контуре окажутся затухающими (рисунок 23в). 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 ρ к активному сопротивлению контура R:
-72-
Qρ= .
R
Величина, обратная добротности, называется затуханием
контура:
R
1
Q
==
.
ρ
d
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 неза-
тухающие 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 пе-
ременного напряжения необходимой величины из выходной цепи во входную, для поддержания незатухающих колебаний в
колебательном контуре.
Простейшая схема автогенератора LC - типа на транзисторе приведена на рисунке 24а.
а б
Рисунок 24 - Автогенератор LC - типа (а)
и пульсации тока коллектора (б)
-73-
Такая схема называется генератором с трансформатор-
к
к
к
ной связью. Колебательный контур состоит из индуктивной ка-
тушки
L и конденсатора кC . Источником энергии является
источник постоянного напряжения
E 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 бL , 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
никают свободные колебания с частотой
L . В результате в кLкC контуре воз-
fπ=
0
1
2
CL
кото-
кк
рые индуцируют в катушке связи бL переменное напряжение
той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это
напряжение вызывает пульсацию тока коллектора (см. рисунок 24б). 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 обрат-
ной связи бL , 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 прохож-
дения тока по обмотке обратной связи бL .
Элементы схемы бR , бС , эR , эС предназначены для
обеспечения необходимого режима работы по постоянному току
и его термостабилизации. Дроссель
-74-
L является препятствием
ДР
для переменной составляющей коллекторного тока, а конденса-
к
тор
С
для его постоянной составляющей.
р
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 на коллекторе и базе будут сдвину-
ты на
ветствующим включением концов катушек бL и
0
180 , т.е. находится в противофазе. Это достигается соот-
L . При от-
сутствии самовозбуждения необходимо переключить концы катушки бL . Второе условие называют условием баланса ампли-
туд, которое состоит в том, что для возникновения автоколеба-
тельного 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 (рисунок 25а) и емкостной (рисунок 25б) обратной связью (ОС).
-75-
а б
к
к
Рисунок 25 - Трехточечные схемы с индуктивно
автотрансформаторной (а)
и емкостной (б) обратной связью
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 (рисунок 25а) напряжение ОС снима-
ется с части витков бL контурной катушки, которые заключены
между эмиттером и базой транзистора, и через конденсатор С1
подается на базу. Мгновенные значения напряжений па катушках бL и
L 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 (рисунок 25б) резонансный колебательный контур образован конденсаторами С1, С2 и катушкой
L . Напряжение ОС снимается с конденсатора С2. Фазовое ус-
ловие самовозбуждения в схеме удовлетворяется, поскольку полярности мгновенных значений напряжений на конденсаторах
-76-
противоположны по знаку. Условия баланса амплитуд обеспе-
к
чиваются 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 уве-
личивать индуктивность
тура, так как
=ω . Увеличение емкости и индуктивно-
Г
L и емкость кC колебательного кон-
1
СL
кк
сти 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 рисунке 26а.
а б
Рисунок 26 - Структурная схема RС – генератора (а)
и схема генератора RC – типа с трехзвенной
фазовращающей цепочкой
-77-
В этой схеме используется обычный резистивный усили-
К
тель. Для самовозбуждения усилителя его необходимо охватить
положительной обратной связью, т. е. на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающего входное или
равное ему по 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 рисунке 26б изображена простейшая схема генератора
RC -типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой.
Работа автогенератора начинается с момента подачи на него напряжения
E . Делитель напряжений 1R , 2R 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 и
-78-
конденсаторами. В результате получается фазовый сдвиг в 180°
между напряжениями на коллекторе и базе. Для выполнения амплитудного условия коэффициент обратной связи должен быть
равен:
1
≈β ,
h
э
21
где эh21-коэффициент передачи тока транзистор, включенного
по схеме с ОЭ.
-79-
Библиографический список
1. Миклашевский С.П. Промышленная электроника /
С.П. Миклашевский. – М.: Высш. школа, 1964. – 377с.
2. Пряшников В.А. Электроника (курс лекций) /
В.А. Пряшников. –М.: Корона принт, 2000. – 415с.
3. Китаев В.Е. Электротехника с основами промышленной
электроники / В.Е. Китаев. – М.: Высш. школа, 1980. – 253с.
4. Дулин В.Н. Электронные приборы / В.Н. Дулин. –
М.:Энергия, 1977. – 423с.
5. Федотов В.И. Основы электроники / В.И. Федотов. – М.:
Энергия, 1998. – 345с.
6. Розанов Ю.К. Основы преобразовательной техники /
Ю.К. Розанов. – М.: Энергия, 1979. – 392с.
7. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники /
Под ред. В.Г.Герасимова. - М.: Высш. школа, 1986. – 280с.
8. Касаткин А.С. Электротехника / А.С. Касаткин,
М.В. Немцов. - М.: Энергоатомиздат, 1983. – 245с.
9. Волынский В.А. Электротехника / В.А. Волынский,
Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 308с.
-80-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]