13.2 Электронные генераторы гармонических колебаний
Электронным генератором (ЭГ) гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. ЭГ используют в приборах для контроля состава и качества различных веществ, установках для высокочастотного нагрева металлов, СВЧ - сушки зерна и зерновых продуктов, сварки диэлектриков, химической обработки изделий. ЭГ являются составными частями измерительных приборов и контроллеров (регуляторов).
Электронные генераторы классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения. В зависимости от частоты ЭГ подразделяют на низкочастотные (0,01÷100 кГц), высокочастотные (0,1÷100 МГц) и СВЧ (свыше 100 МГц). По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением. Последний вид ЭГ называется автогенераторами.
Генераторы с независимым возбуждением являются, по существу, усилителями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов. Электронные генераторы могут работать в режимах А, В и С, но обычно в них используется режим С для получения наибольшего КПД.
13.2.1 Условие самовозбуждения автогенератора
Процесс возбуждения электрических колебаний в генераторах напрямую связан с вопросом устойчивости их работы. Как известно, для решения вопроса об устойчивости или не устойчивости системы использую различные критерии устойчивости. Здесь кратко рассмотрим частотный критерий Найквиста, который далее используется при освещении вопроса возбуждения гармонических колебаний.
Формулировка критерия Найквиста для часто встречающегося на практике случая, когда система автоматического управления в разомкнутом состоянии устойчива такова: если разомкнутая система автоматического управления устойчива, то замкнутая система автоматического управления будет устойчива, если амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы W(jω) не охватывает точку (-1, j0) (рисунок 12.6).
ω – круговая частота
Рисунок 13.34 – Амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы
Если амплитудно-фазовая частотная характеристика системы попадает в точку (- 1, j0), то система находится на границе устойчивости и переходный процесс в ней является колебательным с постоянной амплитудой колебаний. Именно это явление используется для возбуждения электрических колебаний генераторами.
Таким образом, коэффициенты усиления усилителя и обратной связи являются функциями входных и выходных электрических величин, которые представляют в виде комплексных функций, зависящих от частоты. В качестве усилителей в автогенераторах применяют различную полупроводниковую базу: транзисторы, ИМС. Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC – резонансные контуры и RC – четырехполюсники.
Рисунок 13.35 – Структурная схема и амплитудно-фазовая характеристика генератора
,
здесь р – оператор интегрального преобразования Лапласа.
Из критерия Найквиста следует, что условием пребывания системы в точке (-1; j0) является выполнение соотношения |К|еjφ·|KПОС|еjψ=1 (*). |К| и |КПОС| - модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи, а φ и ψ – аргументы комплексных функций. Равенство (*) выполняется при |К||КПОС|=1 и φ =0, 2π, 4π, …φ = ψ+2π . Первое равенство называется условием баланса амплитуд, а второе – условием баланса фаз.
Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, появляются колебания сложной формы (в том числе прямоугольной, состоящие из нескольких гармонических колебаний).
Автогенераторы по виду элементов, входящих в звенья о.с., подразделяются на LC – автогенераторы (высокочастотные) и RC – автогенераторы (низкочастотные).
13.2.2 LC – автогенераторы
LC
– автогенераторы выполняют на
однокаскадном усилителе, в котором LC
– контур включен как звено положительной
обратной связи (п.о.с) последовательно
или параллельно с транзистором. При
последовательном включении п.о.с. все
элементы колебательного контура
находятся под низким напряжением.
Большим КПД и мощностью генерируемых
колебаний обладает автогенератор, где
LC – контур включен
последовательно с транзистором по
отношению к источнику питания.
а) б)
Рисунок 13.36 - Принципиальные схемы LC – автогенератора с последовательным
питанием (а) и LC – автогенератора с параллельным питанием (б)
Первоначальные колебания в автогенераторе возникают из-за изменения тока в транзисторе, колебательном контуре или при подаче напряжения питания. При наличии положительной обратной связи они не прекращаются из-за потерь энергии в контуре. Появившееся в контуре напряжение UК усиливается транзистором, колебание через катушку LС, индуктивно связанную с катушкой LК, вновь возвращаются в контур. Амплитуда колебаний постепенно нарастает и по мере роста амплитуды напряжения в цепи затвора коэффициент усиления начинает уменьшаться и становится равным 1. UЗ увеличивается и уменьшается проводимость управляющего n – канала полевого транзистора. Соответственно, при уменьшении UЗ увеличивается проводимость управляющего n – канала полевого транзистора. При этом устанавливаются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на определенном уровне амплитудой, что соответствует стационарному режиму автоколебаний.
Рисунок 13.37 - Принципиальная схема LC – автогенератора с параллельным питанием (а)
и график возникновения на его выходе колебаний (б)
Разновидностью LC – генератора с параллельным питанием является трёхточечный автогенератор, который, в свою очередь, может быть индуктивным трёхточечным генератором или ёмкостным трёхточечным генератором.
а – с индуктивной «трёхточкой»; б) с ёмкостной «трёхточкой»; в – на операционном
усилителе
Рисунок 13.38 - Принципиальные схемы LC – генераторов
Чаще используется LC – генератор с индуктивной трёхточкой, так как проще изменять частоту автоколебаний перемещением одной из обкладок конденсатора или изменением значения постоянного напряжения, подаваемого на варикап.
13.2.3 RC – автогенераторы
Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от сотни кГц до долей Гц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратной связи используют RC – цепи. RC – автогенератор содержит однокаскадный или двухкаскадный усилитель и звено обратной связи, являющейся частотно-зависимой RC – цепью. Как правило, такими частотно – зависимыми цепями является Г-образные RC-цепи, мост Вина и двойной Т-образный мост:
Рисунок 13.39 - Принципиальная схема RC – автогенератора на операционном
усилителе с двойным Т – образным мостом
Рисунок 13.40 - Схема однокаскадного RC – автогенератора с фазосдвигающей
Г – образной RC – цепью
Г-образные RC – цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трёх (чаще всего четырёхзвенным). Увеличением количества звеньев в автогенераторе повышают частоту генерации. Еще больше её можно повысить, поменяв местами резисторы и конденсаторы.