Konspekt_TR_RO

При критическом коэффициенте Кос Коскр прямая обратной связи 3 сливается с

колебательной характеристикой в области ОА, в которой она линейна, но не пересекает эту характеристику. В данном случае самовозбуждение также отсутствует, что подтверждает вывод: в автогенераторе, работающем в линейном режиме и имеющем Кос Коскр , получить автоколебания невозможно.

Колебания в АГ возникают лишь при коэффициенте Кос Коскр , которому соответствует линия обратной связи 4. Эта линия в условиях мягкого режима самовозбуждения имеет с колебательной характеристикой две общие точки, 0 и В. Точка В соответствует стационарному состоянию автогенератора, характеризующемуся амплитудами тока Im1B и напряжения UmвхВ. В это состояние генератор приходит в процессе самовозбуждения, но может выйти из него под действием различных дестабилизирующих факторов.

Рассмотрим процессы, которые будут при этом протекать.

Предположим, что напряжение на входе усилительного элемента уменьшилось до значения UmвхС. Это напряжение вызовет в выходной цепи генератора ток Im1C (точка С на рисунке 8.11), который, благодаря обратной связи, увеличит напряжение на входе до UmвхА, что приведет, согласно характеристике 1, к увеличению тока до Im1A и т. д. В результате генератор вернется в состояние, определяемое точкой В пересечения характеристик 1 и 4. Аналогично можно показать, что если под действием каких-либо причин напряжение на входе усилительного элемента увеличится и станет больше, чем UmвхВ (точка D на рисунке 8.11), генератор вновь автоматически перейдет в состояние, определяемое точкой В. Приведенные рассуждения подтверждают, что точка В является точкой устойчивого равновесия и соответствует стационарному режиму работы автогенератора. Амплитуды напряжения и тока в стационарном режиме определяются величиной обратной связи. При увеличении обратной связи (рисунок 3, прямая 5) соответствующие стационарные амплитуды увеличиваются до значений UmвхЕ и Im1E.

Вторая общая точка колебательной характеристики 1 и линии обратной связи 4 (рисунок 8.11, точка 0) является неустойчивой, так как в ней возникшие колебания вне зависимости от начальной амплитуды нарастают до колебаний со стационарными амплитудами, определяемыми положением точки В.

Рисунок 8.12 – Определение стационарного состояния АГ в режиме жесткого самовозбуждения.

91

В условиях жесткого режима самовозбуждения (рисунок 8.12) колебательная характеристика 1 и линия обратной связи имеют три общих точки: О, А, В. Точка 0 характеризует устойчивое состояние покоя автогенератора, т. е. отсутствие самовозбуждения при малых начальных амплитудах колебаний. Колебания возникают только когда первоначальная амплитуда входного напряжения становится больше UmвхА, определяемого точкой А на рис. 8.12, например, напряжение увеличилось до значения UmвхС . Вызванный этим напряжением ток Im1C увеличит c помощью обратной связи напряжение на входе генератора, что приведет к большему возрастанию тока и т. д.(см. рисунок 8.12, линии со стрелками). В результате достигается устойчивый колебательный режим (точка В ) , характеризуемый амплитудами UmвхВ и Im1B.

Предположим теперь, что напряжение на входе генератора стало меньше, чем UmвхА и достигло значения UmвхВ, определяемого точкой D. Тогда ток уменьшится до Im1D, что вызовет дальнейшее уменьшение входного напряжения, как это показано линиями со стрелками на рис. 4. В результате колебания затухают. Следовательно, точка А пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи характеризует неустойчивое состояние режима автогенератора.

LC автогенератор с автоматическим смещением

Его применение обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующим автоматическим переходом в режим жесткого самовозбуждения. Этого достигают применением в автогенераторе специальной цепи автоматического смещения. На рис. 8.13, изображена упрощенная принципиальная схема автогенератора на биполярном транзисторе, нагрузкой которого служит колебательный контур L1C1. Напряжение положительной обратной связи создается на катушке L2 и подводится между базой и эмиттером транзистора. Начальное напряжение смещения на базе транзистора создается источником U0. Последовательно с этим источником включена цепь автосмещения R1С2.

Рисунок 8.13 – Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с автоматическим смещением.

92

Рисунок 8.14 – Диаграммы, поясняющие действие цепи автосмещения.

Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью рисунка 8.14. В первый момент после включения генератора, т. е. в момент появления колебаний, рабочая точка А находится на участке максимальной крутизны вольтамперной характеристики транзистора. Благодаря этому колебания возникают легко в условиях мягкого режима самовозбуждения. По мере возрастания амплитуды колебаний увеличивается ток базы, постоянная составляющая которого создает падение напряжения Uсм на резисторе R1 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор С1). Так как напряжение (Uсм приложено между базой и эмиттером в отрицательной полярности, результирующее постоянное напряжение на базе U0-Uсм уменьшается, что вызывает смещение рабочей точки вниз по характеристике транзистора и переводит автогенератор в режим работы с малыми углами отсечки коллекторного тока. При этом токи коллектора Iк и базы Iб имеют вид последовательности импульсов, а напряжение на выходе Uвых, создаваемое первой гармоникой коллекторного тока, представляет собой синусоидальное колебание с неизменной амплитудой.

Таким образом, цепь автоматического смещения R1С2 в автогенераторе выполняет роль регулятора процесса самовозбуждения и обеспечивает в первоначальный момент условия мягкого самовозбуждения с последующим переходом в более выгодный режим с малыми углами отсечки.

Трехточечные LC-автогенераторы гармонических колебаний

Схемы одноконтурных автогенераторов (с трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной обратной связью) и большинство других, более сложных схем, могут быть приведены к упрощенной, так называемой трехточечной схеме (рисунок 8.15). Такое обобщение упрощает анализ и помогает при составлении схем автогенераторов. Оно возможно благодаря общим требованиям к схемам автогенераторов, за-

93

ключающимся в обязательней выполнении условий самовозбуждения (баланс фаз, баланс амплитуд).

Рисунок 8.15 – Обобщенная трехточечная схема АГ.

В обобщенной схеме колебательная система, состоящая из трех реактивных сопротивлений Хкб, Хбэ, Хкэ (активными сопротивлениями в большинстве случаев можно пренебречь), подключена к транзистору в трех точках: к, б, э, что определило название схемы. Отдельные элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками или более сложными электрическими цепями, например расстроенными параллельными контурами. Условимся также, что сопротивления Хкб, Хбэ, Хкэь включает в себя индуктивности соединительных проводов, междуэлектродные емкости, емкость монтажа и т. д. Таким образом, колебательная система приводится к контуру, состоящему из трех реактивных сопротивлений, по которым протекает контурный ток I к . В такой схеме автогенератора колебания могут возбудиться на собственной частоте данного контура f0 (точнее, на очень близкой к ней частоте), определяемой из условия резонанса, т. е.

которые для выполнения условия баланса фаз должны быть противофазными, что возможно только, когда реактивные сопротивления Хбэ и Хкэ имеют одинаковый характер (знак). Характер третьего сопротивления Хкб должен быть противоположным характеру первых двух сопротивлений, образующих контур, иначе резонанс в контуре будет невозможным

Правильно составленная схема автогенератора должна обеспечивать выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд на частоте, близкой к собственной частоте колебаний в контуре. Необходимый для самовозбуждения коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий выполнение условия баланса амплитуд, определяется соотношением:

Kос Sср R рез 1 ,

апри самовозбуждении на частоте, близкой к f0 удовлетворяется также условие

ус ос 1.

94

ственным и положительным, т. е. (ХБЭ/ХКЭ)>0, а это еще раз подтверждает, что реактивные сопротивления ХБЭ и Хкэ обязательно должны быть одного знака.

Можно составить два варианта трехточечных схем: индуктивную (рис. 8.16), в которой напряжение обратной связи снимается с катушки L1, и емкостную (рисунок 8.17), в которой это напряжение снимается с конденсатора С1.

Рисунок 8.16 – Индуктивная трехточка.

Рисунок 8.17 – Емкостная трехточка.

Сравнивая рисунки, убеждаемся, что генератор с автотрансформаторной обратной связью представляет собой индуктивную трехточечную схему, а генератор с емкостной обратной связью емкостную трехточечную схему.

Получение почти синусоидальных автоколебаний, несмотря на то, что контур автогенератора настроен на частоту, близкую к авт , и выделяет колебания основной

гармоники, в выходном напряжении все же содержатся составляющие с частотами высших гармоник, приводящие к искажению формы выходных колебаний по сравнению с синусоидальной формой.

Высшие гармоники подавляют в основном за счет резонансных свойств контура выходной цепи. Известно, что чем выше добротность контура, тем острее его АЧХ и лучше фильтрация колебаний с частотами, отличающимися от резонансной. Однако получить высокую добротность контура в автогенераторе, особенно транзисторном,

95

трудно. Поэтому принимают дополнительные меры к подавлению высших гармоник. К ним относятся следующие:

подключают нагрузку к индуктивной ветви выходного контура, так как токи высших гармоник в основном проходят через емкостную ветвь, имеющую для них меньшее сопротивление;

применяют многоконтурные выходные цепи, в которых фильтрующие свойства одного контура дополняются и усиливаются другими контурами;

применяют двухтактные автогенераторы, обеспечивающие эффективное подавление гармоник;

включают дополнительные заграждающие фильтры (в автогенераторах, работающих на одной частоте), настроенные на n-ю гармонику;

применяют в выходных цепях диапазонных автогенераторов фильтры нижних частот, пропускающие основные колебания рабочего диапазона и ослабляющие все гармоники; выбирают в усилительных каскадах, следующих за автогенератором, углы отсечки

коллекторного (анодного) тока = 90°, так как при этом в импульсе тока отсутствуют высшие нечетные гармоники.

Генератор с автотрансформаторной обратной связью

Принципиальная схема такого автогенератора изображена на рисунке 8.18.

Рисунок 8.18 - Принципиальная электрическая схема автогенератора с автотрансформаторной связью.

Схема содержит колебательный контур второго вида L1C4, к трем точкам которого к, э, б соответственно подключены коллектор, эмиттер (через блокировочные конденсаторы большой емкости С1, СЗ) и база (через разделительный конденсатор С2) транзистора VТ. Начальное смещение на базе транзистора задается делителем напряжения R1, R2. Элементы RЗ, СЗ образуют цепь автосмещения, создаваемого падением

96

напряжения на резисторе RЗ при протекании по нему постоянной составляющей эмиттерного тока.

Напряжение обратной связи Umвв Uбэ снимается с части витков катушки L1, ко-

торая одновременно служит делителем напряжения UкБ, действующего на контуре. Как видно из схемы, условие баланса фаз выполняется потому, что напряжение Uъэ всегда изменяется в противофазе с переменным напряжением на коллекторе Umввы Uкэ .

В этом можно убедиться, рассмотрев направление токов в ветвях контура L1С4. Индуктивность катушки L1 в точке э делится на Lкэ, образующую левую (индуктивную) ветвь контура, и на UБЭ, которая с конденсатором С4 образует правую (емкостную) ветвь. Так как токи iL и iС в ветвях параллельного контура в любой момент времени противоположны по направлению, напряжения Uбэ и Uкэ противофазны.

Автогенератор с емкостной обратной связью

Одна из возможных схем такого генератора представлена на рисунке 8.19. В этой схеме применен колебательный контур третьего вида L2С4С5, соединенный точками к, э, б соответственно через конденсаторы СЗ, С2 и С1 с коллектором, эмиттером и базой транзистора VT1. В автогенераторе применена схема параллельного коллекторного питания, в которой источник питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу. Для ослабления шунтирующего действия высокочастотного дросселя L1 на контур индуктивность дросселя выбирают исходя из соотношения L2=(10...20)L1. Общую емкость контура составляют емкости двух конденсаторов: С4 и С5, причем С4 образует емкостную ветвь контура, а С5 и L1 — индуктивную ветвь. Так как соответствующие токи iС и iL в любой момент времени направлены противоположно друг другу, напряжения Uкэ и UБЭ противофазны. Следовательно, условие баланса фаз выполняется, поскольку напряжение Uбэ Umвв , снимае-

мое с конденсатора С5, является напряжением обратной связи, а Uкэ Umввы , снимаемое с С4, - выходным напряжением генератора.

Рисунок 8.19 – Принципиальная электрическая схема АГ с емкостной обратной связью.

97

RC-автогенераторы

Использование LC-генераторов для генерирования низкочастотных гармонических колебаний затруднительно, т.к. необходимо увеличивать индуктивность и емкость контура, что связано с уменьшением добротности контура и увеличением его габаритов и массы. Поэтому на этих частотах используют RC-генераторы.

Из множества разновидностей на практике находят применение цепочные и мостовые RC-автогенераторы.

Источник пи тания

Однокаскадный

резистивный

усилитель

Цепь полож и тельной обра т ной связи

Рисунок 8.20 – Структурная схема цепочного RC-автогенератора.

Низкочастотный усилитель в пределах полосы пропускания имеет постоянный коэффициент усиления и постоянный фазовый сдвиг 180° между входным и выходным напряжениями. Форма генерируемых колебаний в таком генераторе оказывается зависящей от частотных характеристик цепи обратной связи. Если АЧХ и ФЧХ цепи обратной связи равномерны в полосе частот, равной или превышающей полосу пропускания усилителя, то при выполнении условий БА и БФ в полосе пропускания усилителя, на выходе генератора будут наблюдаться колебания, отличающиеся по форме от гармонических. Если ФЧХ цепи обратной связи такова, что для одной частоты f 0

создаются преимущественные условия (фазовый сдвиг 180° между входным и выходным напряжениями), тогда условие БФ будет соблюдаться только для этой частоты, и в таком RC-генераторе возникнут гармонические колебания с частотой f 0 .

Для развития процесса самовозбуждения генератора необходимо выбрать коэффициент К ус чуть-чуть больше 1/ К ОС . Тогда при подключении генератора к источнику

питания малейшие колебания на частоте f 0 через цепь ПОС будут поступать на вход усилителя, а т.к. К ус 1/ КОС , то эти колебания будут усиливаться усилителем чуть

больше, чем ослабляться цепью ПОС. Поэтому с каждым циклом амплитуда колебаний на частоте f 0 будет возрастать. При достижении амплитудой величины напряже-

ния насыщения U н ас за счет нелинейности амплитудной характеристики коэффициент усиления становится К ус 1/ КОС , и на выходе генератора будут установившиеся колебания частотой f 0 и постоянной амплитуды Um const . При этом искажения формы гармонического колебания (срез амплитуды) будет минимальным.

98

Uнас

Uнас

Рисунок 8.21 – Временная диаграмма возбуждения генератора.

Для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180° в цепь ПОС включается фазосдвигающая цепь (ФСЦ), состоящая из нескольких (обычно трех или четырех) фазосдвигающих RC-звеньев.

Рисунок 8.22 – Принципиальная схема (а) и векторная диаграмма (б) фазосдвигающего звена.

Практически элементы RC-звена подбираются так, чтобы 600 . В зависимости от включения схемы ФСЦ называют R-параллель или С-параллель.

Рисунок 8.23 – Трехзвенная ФСЦ: R-параллель и С-параллель.

Частота генерируемых колебаний автогенератора соответствует частоте, при которой сдвиг фаз между напряжениями U1 и U2 достигает 180°:

99

Требуемый для обеспечения самовозбуждения коэффициент усиления усилителя К ус 1/ К ПОС , где К ПОС 1/ 29 - коэффициент передачи цепи ПОС на частоте генерации.

Рисунок 8.24 – Принципиальная схема RC-автогенератора с трехзвенной ФСЦ: R1R2 – делитель напряжения. Обеспечивает режим по постоянному току; R4C1 – элементы температурной эмиттерной стабилизации рабочей точки;

R3 – нагрузка однокаскадного усилителя на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

С2 – С4, R5 – R7 – элементы ФСЦ. R5 – R7 должны быть много больше, чем R3, чтобы не уменьшать коэффициент усиления усилителя.

БФ выполняется автоматически, т.к. трехзвенная RC-цепь имеет фазовый сдвиг 1800 и каскад с ОЭ сдвигает фазу на 1800, поэтому суммарный фазовый сдвиг по цепям усиления и цепям обратной связи составляет 3600.

БА выполняется за счет применения каскада с коэффициентом усиления больше 29, т.к. коэффициент передачи трехзвенной RC-цепи 1/29. Это необходимо для выполнения условия самовозбуждения: К ус КОС 1 .

При подключении к источнику питания уменьшается потенциал коллектора (ток коллектора iк возрастает), и это уменьшение через RC-цепь поступает на вход усилителя и приводит к уменьшению iк , т.е. к росту потенциала коллектора. Теперь рост потенциала поступает через RC-цепь на базу транзистора, увеличивая потенциал базы и уменьшая потенциал коллектора. Таким образом, на выходе устройства наблюдаются колебания электрической энергии.

АГ с ФСЦ обычно применяют для генерирования гармонических колебаний фиксированной частоты, что связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне.

RC-автогенератор с мостом Вина

100