какое преобразование энергии происходит в автогенераторе

3.2. Автогенераторы гармонических колебаний

Автогенератор – это устройство, в котором самопроизвольно (но не беспричинно) возникают, растут и устанавливаются колебания. Первопричинами, обусловливающими возникновение автоколеба­ний, являются внутренние шумы в автогенераторе, импульсы, возни­кающие в схеме при включении питания, а также помехи, наводки и т.п.

В автогенераторе осуществляется преобразование энергии ис­точника питания в энергию колебаний. Автогенератор – одно из ос­новных устройств в радиоэлектронике. Он – источник всех сигна­лов в радиоэлектронных устройствах: радиопередатчиках, модемах, компьютерах, электронных часах и т.п.

Для ограничения амплитуды возникающих колебаний в состав ав­тогенераторов включают нелинейные элементы, и поэтому автогене­раторы относят к нелинейным электрическим цепям.

Для построения автогенераторов используются неустойчивые электрические цепи, в которых после окончания малого по величине возмущения амплитуда оставшихся колебаний возрастает с течением времени. В предыдущих параграфах рассматривались устойчивые электрические цепи, в которых после окончания воздействия колеба­ния затухают.

Сформулируем фундаментальный критерий устойчивости: электрическая цепь неустойчива, если в решении однородного дифференциального уравнения есть хотя бы одно слагаемое, у которого a_k > 0, где a_k – амплитуда гармонического сигнала (рис. 3.6, а). Если все a_k r в соответствии с фундаментальным критерием устойчивости возникает самовозбуждение автогенератора на туннельном диоде.

Автогенераторы с внешней обратной связью

Автогенераторы с внешней обратной связью (рис. 3.8) наиболее часто используют на практике. В этих генераторах удобно регулировать параметры выходных колебаний, изменяя свойства цепи обрат­ной связи, выполненной обычно в виде пассивного четырехполюсни­ка. Внутри усилителя (р

Источник

Автогенераторы L-C (схема,работа).

Известно много разновидностей схем транзисторных автогенера­торов типа LC, но любая из них должна содержать:

колебательную систему (обычно колебательный контур), в которой возбуждаются

требуемые незатухающие колебания;

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

транзистор, с помощью которого ре­гулируется подача энергии от источника в контур;

элемент обратной связи, посредством которого осуществляется подача необходимого возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную.

Простейшая схема транзисторного генера­тора типа LC показана на рис. 16.1. Такая схема называется генератором с трансфор­маторной связью и используется обычно в диапазоне высоких частот.

Рис. 16.1. Транзисторный автогенератор с трансформаторной связью.

Элементы R_Б΄, R_Б΄΄,R_Э и С_Э предназначены (так же, как и в усили­телях) для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. С помощью конденсатора С_Б, емкостное со­противление которого на высокой частоте незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.

В момент включения источника питания в коллекторной цепи тран­зистора появляется ток I_К заряжающий конденсатор С_Б колебатель­ного контура. Так как к конденсатору подключена катушка L_K, то после заряда конденсатор начинает разряжаться на катушку. В резуль­тате обмена энергией между конденсатором и катушкой в контуре возникают свободные затухающие колебания, частота которых опре­деляется параметрами контура и равна

(16.1)

Переменный (колебательный) ток контура, проходя через катушку L_K, создает вокруг нее переменное магнитное поле. Вследствие этого е катушке обратной связи Ь_Б, включенной в цепь базы транзистора, наводится переменное напряжение той же частоты, с которой проис­ходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора, в котором появляется переменная составляющая.

Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором пере­менное напряжение. В свою очередь это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи L_Б, которое повлечет за собой повое нарастание амплитуды составляющей тока коллектора и т. д.

Разумеется, нарастание коллекторного тока не происходит бес­предельно—оно наблюдается лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора (на участке насыщения, как известно, ток коллектора практически не меняется). Что же касается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротив­лением потерь контура, а также затуханием, вносимым в контур за счет протекания тока в базовой обмотке.

Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий, которые получили название условий самовозбуждения.

Первое из этих условий называют условием баланса фаз. Сущность его сводится к тому, что в схеме должна быть установлена именно по­ложительная обратная связь между выходной и входной цепями тран­зистора. Только в этом случае создаются необходимые предпосылки для восполнения потерь энергии в контуре.

Поскольку резонансное сопротивление параллельного контура носит чисто активный характер, то при воздействии на базу сигнала с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе бу­дет сдвинуто по фазе на 180° (как для обычного резистивного каска­да усиления). Напряжение, наводимое на базовой катушке за счет тока I_К, протекающего через контурную катушку L_K, равно

(16.2)

где М — коэффициент взаимоиндукции между катушками.

Очевидно, необходимо так выбрать направление намотки катушки, чтобы U_Б=-jω₀МI_К. Только в этом случае общий фазо­вый сдвиг в цепи усилитель — обратная связь будет равен нулю: j_к+j_b = 0, т. е. в схеме будет установлена положительная обратная связь.

Если же U_Б=+jω₀МI_К, то обратная связь окажется отрицатель­ной и колебания в контуре прекратятся.

Выполнение условия баланса фаз является необходимым, но не­достаточным для самовозбуждения схемы. Второе условие самовоз­буждения состоит в том, что для существования автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем. Иными словами, глубина положитель­ной обратной связи должна быть такой, чтобы потери энергии в кон­туре восполнялись полностью.

При наличии положительной обратной связи в соответствии с фор­мулой (13.15) коэффициент усиления составляет

где b — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для рассматриваемой схемы коэффициент b показывающий, ка­кая часть переменного напряжения контура подается на базу тран­зистора в установившемся режиме рабо­ты, равен

(16.3)

где I_Кт — амплитуда тока в контуре ав­тогенератора.

Учитывая, что усилитель с положи­тельной обратной связью переходит в режим генерации при условии bК >> 1, найдем значение коэффициента обратной связи, необходимое для самовозбужде­ния:

(16.4)

Коэффициент усиления схемы на резонансной частоте приближенно можно считать равным

(16.5)

(16.6)

Условие самовозбуждения, выраженное формулой (16.6), получило название условия баланса амплитуд.

Процесс возникновения, нарастания и установления колебатель­ного режима транзисторного автогенератора (при выполнении усло­вий баланса фаз и амплитуд) можно объяснить с помощью так называе­мой колебательной характеристики автогенератора, представляющей собой зависимость U_вых=f(U_вх). На рис. 16.2 изображены амплитудная характеристика собственно усилительного звена и прямая линия, выражающая зависимость коэффициента передачи цепи обратной связи от величины входного напряжения и характеризующая ослабляющее действие цепи об­ратной связи.

Предположим, что на вход транзистора поступает напряжение U_вх1. После усиления в К раз на выходе усилителя появится напряжение U_вых1. Это напряжение, ослабленное в b раз, вызовет появление на входе напряжение U_вх2, которое создаст на выходе новое напряжение, и т. д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока величина выход­ного сигнала не достигнет своего установившегося значения (точка А), при котором выполняется условие Кb=1.

Из-за нелинейности характеристик транзистора амплитудная ха­рактеристика усилителя также оказывается нелинейной, т. е. с ростом уровня выходного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Имен­но поэтому амплитуда колебаний в контуре не может увеличиваться беспредельно и ограничивается на определенном уровне, соответству­ющем установившемуся режиму. Из рис. 16.2 видно, что после вклю­чения источника питания автоколебания возникают и развиваются при воздействии на вход транзистора любого, сколь угодно малого, напряжения, которое всегда имеется вследствие флуктуационных изменений режима работы схемы.

Рис. 16.2. Колебательная характеристика автогенератора.

Источник

Какое преобразование энергии происходит в автогенераторе

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС.

Внешний входной сигнал отсутствует. На входе усилителя действует только выходной сигнал ОС UOC. А на входе ОС действует U_ВХОС=U_ВЫХ. Поэтому коэффициент усиления такой схемы.

При выполнении этого условия любой усилитель, охваченный ПОС становится генератором, на выходе его появляются колебания, независимые от входного сигнала (автоколебания). Явление возникновения автоколебаний в усилителе называется самовозбуждением.

Условие возникновения автоколебаний можно разделить на две составляющие:

1) Условие баланса амплитуд: К∙β=1. Физический смысл: результирующее усиление в контуре, состоящем из последовательного соединения усилителя и цепи ОС должно быть равно единице. Если цепь ОС ослабляет сигнал, то усилитель должен на 100% компенсировать это ослабление. То есть если в любом месте разорвать контур ПОС и на вход подать сигнал от внешнего источника, то пройдя по контуру К∙β с выхода разрыва цепи ОС вернется сигнал точно такой же амплитуды, что был подан на вход разрыва.

2) Условие баланса фаз: arg(K·β)=0. Физический смысл: результирующий фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС должен быть равен нулю (или кратен 2π). То есть при подаче сигнала на разрыв, вернувшийся сигнал будет иметь точно такую же фазу. При выполнении этого условия ОС будет положительна.

Для существования автоколебаний необходимо одновременное выполнение этих условий. Если эти условия выполняются не для одной частоты, а для целого спектра частот, то генерируемый выходной сигнал будет сложным (не гармоническим). Для обеспечения синусоидальности выходного сигнала генератор должен генерировать сигнал только одной единственной частоты. Для этого необходимо, чтобы условия возникновения автоколебаний выполнялись для единственной частоты, которая и будет генерироваться. Для этого делают К или β частотно-зависимыми. Как правило β имеет максимум β0 на некоторой частоте ω0. Поэтому на ω0 и коэффициент усиления будет иметь максимум К0. Величины К0 и β0 обеспечивают такими, чтобы они удовлетворяли условиям возникновения автоколебаний. Тогда при отклонении частоты от ω0 и условия возникновения автоколебаний выполнятся не будут, что приведет к затуханию колебаний этой частоты и на выходе генератора будут только гармонические колебания частоты ω0.

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

3.1.1 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1 (имеющей индуктивность L) и W2 (рисунок 3.1.1.1).

Рисунок 3.1.1 Генератор LC-типа

Напряжение U₂ является напряжением ОС. Оно связано с напряжением первичной обмотки W1 коэффициентом трансформации

Коэффициент трансформации в данном случае является коэффициентом передачи ОС, показывая какая часть напряжения передается на вход. Для выполнения баланса амплитуды на частоте ω0 должно выполнятся равенство

Из этого условия рассчитывается необходимое число витков вторичной обмотки, чем обеспечивается условие баланса амплитуд. Для обеспечения баланса фаз необходимо обеспечить соответствующее включение начал и концов обмоток, чтобы ОС была положительной. Емкость С1 выбирают такой, чтобы ее сопротивление на частоте генерации было незначительным по сравнению с R2. Это исключает влияние сопротивления делителя на ток во входной цепи транзистора, создаваемый напряжением ОС. Назначение RЭ и СЭ такое же, как в обычном усилительном каскаде. LC-генераторы, также как и LC-избирательные усилители применяют в области высоких частот, когда требуются небольшие величины L и имеется возможность обеспечить высокую добротность LC-контура. А на низких и инфранизких частотах, когда построение LC-генератора затруднительно, используют RС цепи тех же типов, что и для избирательных усилителей.

3.1.2 RC- генераторы

RC генераторы используют для задания частоты резисивно – емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления (рисунок 3.1.2.1).

Рисунок 3.1.2.1 Частота генератора рассчитывается по формуле

В этом генераторе для возникновения колебаний усилитель должен иметь бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление –равное 0.

Тогда, если конденсаторы и резисторы имеют равные реактивные и активные параметры, условием существования колебаний будет равенство коэффициента усиления числу 29. Такое усиление необходимо для компенсации затухания в фазосдвигающей цепочке. Фазовый угол этой цепочки на частоте колебаний равен 180°, а усилитель должен инвертировать сигнал, с тем, чтобы общий сдвиг фазы по всему контуру был равен 0 (условие генерации).

Частота колебаний генератора определяется выражением:

Источник

АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Автогенератор – это радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний. В автогенераторе, колебания возникают без постороннего воздействия при включении источника питания.

Автогенератор можно представить как усилитель с положительной

Система уравнений для комплексных амплитуд 1-й гармоники сигнала:

; ; ,

где — амплитуда гармонического напряжения на контуре (колебательная система фильтрует все гармоники, кроме 1-й); — эквивалентное сопротивление контура на частоте 1-й гармоники сигнала; — комплексный коэффициент обратной связи.

Совместное решение дает основное уравнение АГ в комплексной форме по 1-й гармонике сигнала:

Это уравнение распадается на уравнения для произведения модулей и суммы фаз, соответственно называемые уравнениями баланса амплитуд

и фаз, где — сдвиг фаз между и , — сдвиг фаз между и , — сдвиг фаз между и .

Разорвем ОС для анализа баланса амплитуд

Мягкий режим самовозбуждения требует незначительного скачка, например при включении питания. Но колебания происходят в режиме колебаний первого рода, который характеризуется малым КПД.

— наклон прямой, соединяющий любую точку кривой с началом координат.

Характеристика ОС зависит от К и сопротивления нагрузки.

— условие самовозбуждения АГ

Нагрузочная характеристика АГ

Колебательная характеристика автогенератора

Жесткий режим самовозбуждения возможен только в режиме колебаний второго рода, который характеризуется высоким КПД, но требуется большой начальный скачек для возникновения колебаний.

— самовозбуждения не будет. Для самовозбуждения АГ сначала должен быть в мягком режиме.

Для того чтобы АГ возбуждался в мягком режиме, а в стационарном состоянии работал в энергетически выгодном режиме с отсечкой тока, применяют автоматическое смещение на управляющий электрод усилительного элемента.

Для ламп и полярных транзисторов смещение по

Для биполярных транзисторов

Фиксированное смещение применяется для того, чтобы АГ был в активном режиме.

Увеличение автосмещения приводит к увеличению колебания АГ.

Нужно, чтобы следило за : — срыв генерации

Фиксированное смещение применяется для самовозбуждения генератора, а автоматическое смещение для вывода АГ в заданный режим.

Источник