Схема lc генератор: Генераторы гармонических колебаний. :: Электроника для всех – Схема генератора синусоидальных колебаний на транзисторе. LC-генераторы

Схема генератора синусоидальных колебаний на транзисторе. LC-генераторы

Отметим три варианта распространённых схем автогенераторов:

– с трансформаторной (или индуктивной) обратной связью;

– с автотрансформаторной обратной связью;

– с емкостной обратной связью.

Ниже представлены некоторые практические схемы транзисторных автогенераторов.

Рис. 3.7. Автогенератор на биполярном транзисторе с трансформаторной обратной связью

На рис. 3.7, 3.8, 3.9 потенциометр R 1 R 2 служит для подачи на базу небольшого смещения, которое обеспечивает достаточно высокую крутизну характеристики триода в исходном режиме и легкость возбуждения колебаний. Ток базыI б0 , протекающий через сопротивлениеR 3 , создает положительное автоматическое смещение, обеспечивающее получение необходимого угла отсечки коллекторного тока в автоколебательном режиме АГ.

Рис. 3.8. Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью на биполярном транзисторе

Рис. 3.9. Автогенератор с ёмкостной обратной связью на

Биполярном транзисторе

На рис. 3.10, 3.11, 3.12 напряжение смещения Е б =I б0 R б на базу подается с сопротивленияR б.

На рис. 3.10 питание базы последовательное. На рис. 3.11, 3.12 питание цепи базы параллельное.

В схему автогенератора (рис. 3.13) входит активный элемент — полевой транзистор. Для того чтобы получить на выходе автогенератора незатухающие гармонические колебания, необходимо правильно выбрать режим работы полевого транзисто-

Рис. 3.10. Автогенератор с трансформаторной

обратной связью на биполярном транзисторе

Рис.3.11. Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью на биполярном транзисторе

ра. При этом можно руководствоваться методикой компьютерного анализа резисторных каскадов усиления на полевых транзисторах (раздел 3.4). Автогенератор на полевом транзисторе (рис. 2.13) собран по схеме емкостной трехточки. Колебательный контур, образованный катушкой индуктивности l k и конденсатором С к, включен в стоковую цепь транзистора.

Рис.3.12. Автогенератор с ёмкостной обратной связью на

биполярном транзисторе

На частоте генерации он эквивалентен индуктивности. Положительная обратная связь осуществлена через делитель, образованный конденсаторами С 1 иC 2 . Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки, задается резисторамиR 1 ,R 2 иR 3 . РезисторR 1 позволяет осуществить истоковую стабилизацию рабочей точки полевого транзистора за счёт использования отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току истока. КонденсаторC 2 устраняет при этом ООС по переменной составляющей тока истока.

Конденсатор Сз необходим для того, чтобы напряжение положительной обратной связи без потерь было приложено ко входу транзистора.

Необходимым условием для получения гармонических незатухающих колебаний является обеспечение баланса амплитуд и баланс фаз.


Рис. 3.13. Автогенератор с ёмкостной обратной связью на

полевом транзисторе

Рис. 3.14. Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью на полевом транзисторе

Автогенератор на полевом транзисторе (рис. 3.14) собран по схеме индуктивной трехточки (с автотрансформаторной обратной связью). Колебательный контур, образованный индуктивностями L 1 +L 2 и конденсатором С 3 , включен в стоковую цепь транзистора. Автотрансформаторная обратная связь осуществлена с помощью обмотки катушки индуктивности L 2 , подключенной к затвору полевого транзистора через емкость блокировочного конденсатора источника питания (на схеме конденсатор не показан) и емкость конденсатора С 2 . Начальное смещение, обеспечивающее первоначальное положение рабочей точки, задается резисторами R1 и R2. Конденсатор С 1 необходим для того, чтобы напряжение положительной обратной связи без потерь было приложено к входу каскада.


Рис.3.15. Автогенератор на полевом транзисторе

с трансформаторной обратной связью

Схема измерения LС-автогенера- с трансформаторной обратной свя зью представлена на рис. 3.15. Колебательный контур, образованный ин дуктивностью L K и конденсатором С к, включен в стоковую цепь транзистора. Обратная связь трансформаторного типа, осуществлена с помощью обмотки L 1 , подключенной ко входу транзистора. Начальное смещение, обеспечивающее первоначальные положения рабочей точки, задается резисторами R 1 , R 2 и R 3 . Резистор R 3 обеспечивает истоковую стабилизацию рабочей точки транзистора. Конденсаторы C 2 и C 3 обеспечивают подведение напряжения положительной обратной связи на вход транзистора без потерь. Конденсатор C l является блокировочным для источника питания. Он предотвращает прохождение переменной составляющей выходного тока через источник питания.

Автогенераторы низкочастотных колебаний рассмотрены в разделе 4.

Генераторы синусоидальных колебаний – это генераторы, которые генерируют напряжение синусоидальной формы.

Они классифицируются согласно их частотно-задающим компонентам. Тремя основными типами генераторов являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.

LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний.

Кварцевые генераторы, подобны LC генераторам, но обеспечивают более высокую стабильность колебаний.

RC-генераторы используются на низких частотах, в них для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.

3.1.1 Колебательный контур

Колебательный контур – это замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания.

Колебания тока и напряжения в колебательном контуре связаны с переходом энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно.

В зависимости от способа подключения к внешнему источнику ЭДС или к источнику тока, различают последовательн

3. Основные схемы lc- автогенераторов

3.1 Одноконтурные схемы автогенераторов на транзисторах

Маломощные автогенераторы, используемые в современной аппаратуре передачи сигналов электросвязи, выполняют обычно на транзисторах, имеющих по сравнению с электронными лампами большую экономичность, долговечность, надежность и компактность.

1. Автогенератор с трансформаторной обратной связью.

Принципиальная схема генератора показана на рис № 4а.

Рис. №4 а,б. Генератор с цепью автосмещения: а-схема; б- диаграммы, поясняющие регулирующие действие цепи автосмещения

Включение источника коллекторного напряжения Ек сопровождается первоначальным зарядом конденсатора контура С2 и последующим его разрядом через катушку L2. Так как катушки L2 иL1 представляют собой трансформатор высокой частоты, возникающий даже самый слабый ток в контуре наводит в катушке связи L1 переменную ЭДС взаимоиндукции. Эта ЭДС создает переменное возбуждающее напряжение между базой и эмиттером транзистора, которое управляет коллекторным током в такт с колебаниями, возникшими в контуре. Благодаря усилительным свойствам транзистора возникшие колебания нарастают и неустойчивый процесс первоначальной генерации переходит в стационарный, при котором амплитуды колебательных токов и напряжений, а также их частота устанавливаются неизменными.

Периодически меняющийся коллекторный ток может иметь различную форму в зависимости от угла отсечки 0. Однако первая гармоника этого тока всегда совпадает по фазе с напряжением возбуждения и напряжением на контуре. В режимах с отсечкой из-за частотной избирательности контура действие высших гармоник импульса коллекторного тока проявляется слабо и основным током, питающим колебательный контур, является ток первой гармоники. Таким образом, при наличии в контуре гармонических колебаний в коллекторной цепи автогенератора создается периодически меняющийся ток, способный поддержать эти колебания и сделать их незатухающими. Для получения незатухающих колебаний требуется, чтобы энергия, расходуемая коллекторным источником Е

к, полностью компенсировала потери в контуре, включая и энергию, отдаваемую автогенератором во внешнюю цепь- нагрузку.

Основные количественные соотношения в схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью: амплитуда выходного напряжения

Umвых=Im1ωавтL2,

где Im1— амплитуда первой гармоники коллекторного тока,

ωавт=– частота автоколебаний; амплитуда напряжения обратной связи Umвх=Im1ωавтМ, где М – взаимная индуктивность между катушками L

1 и L2; коэффициент передачи цепи обратной связи

Ко.с.=.

2. Генератор с автотрансформаторной обратной связью.

Принципиальная схема приведена на рис. №5а.

Рис.№5а. Принципиальная схема автогенератора с обратной 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 C2, C3) и база (через разделительный конденсатор C1) транзистора VT. Начальное смещение на базе транзистора задается делителем напряжения R1, R2. Элементы R3, C4 образуют цепь смещения, создаваемого падения на резисторе R3при протекании по нему постоянной составляющей эмиттерного тока.

Напряжение обратной связи Umвх=Uбэ снимаетсяс части витков катушки L1, которая одновременно служит делителем напряжения Uкб, действующего на контуре. Как видно из схемы, условие баланса фаз выполняется потому, что напряжение Uбэ всегда изменяется в противофазе с переменным напряжением на коллекторе Umвых= Uкэ. В этом можно убедиться, рассмотрев направление токов в ветвях контура L1C4. Индуктивность катушки L1 в точке э делится на Lкэ, образующую левую (индуктивность) ветвь контура, и на Lбэ, которая с конденсатором C4 образует первую (емкостную) ветвь. Так как точки iLиiC в ветвях параллельного контура в любой момент времени противоположны по направлению, напряжения U

бэ и Uкэ противофазны.

3.Автогенератор с емкостной обратной связью.

Схема такого генератора представлена на рис. № 5б.

Рис.№5 б. Принципиальная схема автогенератора с обратной емкостной связью

В этой схеме применен колебательный контур третьего вида L1C4C5, соединенный точками к, э, б соответственно через конденсаторы C3, C2 и C1с коллектором, эмиттером и базой транзистора VT. В автогенераторе применена схема параллельного коллекторного питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу (схемах на рис. № 4а, 5а эти элементы включены последовательно, т.е. использовались схемы последовательного коллекторного питания). Для ослабления шунтирующего действия высокочастотные дросселя L2 на контур индуктивность дросселя выбирают исходя из соотношения L2=(10…20) L1.

Общую емкость контура составляют емкости двух конденсаторов: C4 и C5, причем C4 образует емкостную ветвь контура, а C5 и L1- индуктивную ветвь. Так как соответствующие токи iLиiC в любой момент времени направлены противоположно друг другу, напряжения Uкэ иUбэ противофазны. Следовательно, условие баланса фаз выполняется, поскольку напряжение Uбэ= Umвх, снимаемое с конденсатора C5, является напряжением обратной связи, а Uкэ= Umвых, снимаемое с C4, — выходным напряжением генератора.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ L/C ГЕНЕРАТОР

Универсальный LC генератор своими руками на транзисторах.

Универсальный LC генератор печатная плата с деталями

Генератор, схема которого приведена на рисунке, предназначен для измерительной аппаратуры. Важным преимуществом этого генератора является возможность использовать резонансные контуры практически с любым отношением L/C. Так, он одинаково устойчиво работает, если индуктивность катушки L1 изменяется в пределах от 50 мкГн до 100 мГн, а емкость конденсатора C1 – от 50 пф до 5 мкФ. Например при индуктивность L1 = 50 мкГн и емкости С1 = 5 мкФ генерируемая частота будет около 10 кГц, а при той же индуктивности и С1 = 50 пф – 3.2 МГц. Кроме того к числу достоинств данного генератора следует отнести малое напряжение на LC-контуре- примерно 100 мв. В некоторых случаях это существенно, например, при измерении параметров варикапов.

Универсальный LC генератор для измерения резонансной частоты контура

Рис.1 — Универсальный LC генератор схема.

Генератор выполнен на транзисторах V1 и V2. Каскад на транзисторе V3 – предварительный усилитель, сигнал с которого поступает на выходной усилитель (транзистор V8) и на узел автоматической регулировки уровня выходного сигнала генератора. Поскольку на предварительный усилитель сигнал поступает непосредственно с колебательного контура генератора, то узел АРУ поддерживает постоянным напряжение и на этом контуре. Узел автоматической регулировки уровня состоит и з выпрямителя на диодах V4 и V5, выполненного по схеме удвоения, усилителя постоянного тока на транзисторе V7 и регулирующего транзистора V6. Как только по каким-нибудь причинам напряжение на выходе генератора изменится, например повысится, то возрастет смещение на баpе транзистора V7. Это в свою очередь, приведет к уменьшению тока через транзистор V6 (следовательно, и через транзисторы генератора V1 и V2), и напряжение на выходе генератора уменьшится до первоначального значения. Выходное напряжение практически остается постоянным при изменении напряжения питания от 3.5 до 15 В. Его удобно выбрать равным 5 В. В этом случае, уровень сигнала на выходе генератора будет совместим с устройствами ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики).

В генераторе можно использовать любые кремниевые высокочастотные транзисторы, причем транзисторы V1-V3 должны иметь достаточно большой коэффициент передачи тока (не меньше 150). В том случае, если имеют место паразитные высокочастотные колебания, то следует несколько увеличить сопротивление резистора.

В генераторе можно применить транзисторы КТ 361Б,Г (V1, V2, V3) и КТ 315Б,Г (V6, V7, V8), диоды (V4, V5) могут быть типа КД503А.

«Funkshau» (ФРГ), 1978, №18.

Немного изменена схема на следующем рисунке. Однако следует заметить, что особых отличий нет. Описание и функциональные возможности сохранены. Я собирал генератор для проверки катушек , при изготовлении металлоискателя,  по следующей схеме:

Рис. 2  — Универсальный резонансный генератор для проверки частоты резонанса катушки металлоискателя.

[tip] Очень хорошо зарекомендовал себя генератор, как устройство для проверки резонансной частоты работы поисковых катушек металлоискателя. [/tip]

Печатная плата готового генератора:

Универсальный LC генератор печатная плата с деталями

Универсальный LC генератор печатная плата с деталями (обратная сторона)

Ну и как описывал в статье- » Как изготовить хороший корпус для плат своими руками» в этом корпусе он и сидит по сей день:

Универсальный LC генератор в корпусе изготовленном своими руками

[tip]

Расположение элементов на печатной плате и сама печатка.

Обсудить статью на — ФОРУМЕ

Успехов вам!

С наилучшими пожеланиями!

[/tip]

1.3. Схемы lc-генераторов

Классификация схем генераторов производится по ряду признаков. По типу управляемого элемента различают генераторы на биполярных или полевых транзисторах, ламповые, на туннельных диодах, по виду обратной связи — с трансформаторной (индуктивной), автотрансформаторной, емкостной обратными связями, по схеме включения управляемого элемента и контура по отношению к источнику питания — с последовательным и параллельным питанием, по месту расположения контура—в цепи стока (коллектора), затвора (базы) или истока (эмиттера). Рассмотренные LC-генераторы являются транзисторными генераторами с трансформаторной обратной связью, последовательным питанием и контуром в цепи стока (коллектора).

Распространены автогенераторы, в которых напряжение обратной связи снимается с части витков катушки контура (рис. 5.6,а). Коллектор непосредственно и эмиттер через конденсатор СЗ соединяются соответственно с началом и концом катушки контура, а база через конденсатор С1 — с отводом от витка внутри катушки. В связи с этим схему называют трехточечной с автотрансформаторной обратной связью.

Напряжение обратной связи может быть подано с конденсатора С4 делителя напряжения из двух последовательно включенных конденсаторов СЗ и С4 в цепи контура (рис. 5.6,6). Общая емкость конденсаторов кон-

тура С =

С,С4

По отношению к источнику питания

Г» ~^ С»

транзистор и контур L2C3C4 включены параллельно. Следовательно, это — трехточечная схема с емкостной обратной связью и параллельным питанием. Разделительный конденсатор С2 препятствует прохождению постоянного тока по катушке. Катушка L1 обладает достаточно большим индуктивным сопротивлением для переменной составляющей коллекторного тока. Вместо катушки L1 может быть установлен резистор. Однако в таком случае снижается постоянное напряжение коллектора, а резистор шунтирует контур, что вызывает уменьшение его добротности.

Рисунок 5 — Автогенераторы с включением контуров по трехточечным

схемам: а — с автотрансформаторной связью и контуром в цепи коллектора, б — с емкостной связью и контуром в цепи коллектора, в — с емкостной связью и контуром в цепи базы, г — с автотрансформаторной связью и контуром в цепи базы, д — с емкостной связью и общей базой

Введение двух дополнительных элементов L1 и С2 в цепь уменьшает стабильность частоты и надежность генератора, но при этом на элементы контура не поступает постоянное напряжение, проще осуществляется сопряжение генератора с другими устройствами.

Трехточечная схема с емкостным делителем напряжения может быть просто реализована путем включения контура в цепь базы (рис. 5.6, в). Следует, однако, учитывать, что при этом вход транзистора оказывается подключенным параллельно контуру генератора, а резистор R3 — параллельно конденсатору С2. Это снижает добротность контура.

Для постановки демонстрационного эксперимента в школе необходим LC-генератор с периодом колебаний 1—3 с. В качестве катушки контура генератора следует применить размещенную на замкнутом сердечнике катушку на 220 В школьного демонстрационного трансформатора (индуктивность ее порядка 20 Гн), а в качестве конденсатора контура — электролитические конденсаторы емкостью несколько тысяч микрофарад. Добротность контура получается низкой, а поэтому обратная связь в автогенераторе должна быть сильной. Разделительные конденсаторы при столь низкой частоте колебаний применять невозможно. Включение контура в цепь коллектора и создание трансформаторной обратной связи является нежелательным, так как в генераторе возникают релаксационные колебания, связанные с периодическим повторяющимся запиранием транзистора. Предпочтительнее включать контур в цепь базы (рис. 5.6, г). Диод VD устанавливается для защиты эмиттерного перехода от пробоя. Желательно использовать транзистор с высоким коэффициентом передачи тока.

В автогенераторах диапазона метровых и дециметровых волн целесообразнее применять усилительные каскады по схеме с общей базой, обладающие, как известно, в диапазоне высоких, сверхвысоких и ультравысоких частот рядом преимуществ по сравнению с усилителями по схеме с общим эмиттером. При включении транзистора по схеме с общей базой положительная обратная связь может быть создана путем соединения коллектора и эмиттера через конденсатор С4 (рис. 5.6, д).

LC-генератор может быть построен на базе операционного усилителя (рис. 5.7, а). Колебательный контур и резистор R3 образуют делитель выходного напряжения. Приходящееся на контур напряжение подводится к неинвертирующему входу усилителя. На резонансной частоте сопротивление контура является активным, и напряжение обратной связи совпадает по фаз’е с выходным напряжением. На этой частоте в генераторе достигается баланс фаз.

Рис. 57. Схемы автогенераторов на операционном усилителе (а) и двухтактного (б)

Для увеличения выходной мощности могут быть построены двухтактные генераторы (рис. 5.7,6). Управляющие напряжения на базах транзисторов по фазе противоположны. В рассматриваемом варианте схемы они поступают с витков катушки L2.

мир электроники — LC генератор

Электронные устройства

 материалы в категории

LC-генератор так называется, потому что в нём используется LC-контур. Принципиальная схема LC-генератора показана на рисунке:


Элементы R1, R2, R3, C3 обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току и его термостабилизацию. Элементы L2, C2 образуют параллельный колебательный контур.

В момент включения питания в коллекторной цепи транзистора VT появляется коллекторный ток, заряжающий емкость С2 контура L2С2. В следующий момент времени заряженный кондер разряжается на катушку индуктивности. В контуре возникают свободные затухающие колебания частотой f0 = 1 / 2π√L2C2.

Переменный ток контура, проходя через катушку L2 создает вокруг неё переменное магнитное поле, а это поле в свою очередь наводит в катушке L1 переменное напряжение, которое вызывает пульсации тока коллектора транзистора VT. Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нём усиленное переменное напряжение.

Трёхточечные схемы автогенераторов

Индуктивная трехточечная схема


Трехточечными такие генераторы называют потому что контур в них имеет три вывода:

Элементы R1, R2, R3 C3, как и в предыдущей схеме, обеспечивают режим работы по постоянному току транзистора VT, в коллекторную цепь которого включен колебательный контур L’L»C2.
Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора VT (или с L»), сигнал ПОС — с катушки L’. Поскольку напряжения этих сигналов противофазны, то автоматически выполняется условие баланса фаз. Сигнал ПОС подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С1, сопротивление которого на частоте генерации мало. Этот конденсатор предотвращает попадание постоянной составляющей в базовую цепь (через катушку). Общая точка L’ и L» подключена к источнику питания, сопротивление которого переменному току незначительно. Условие баланса амплитуд выполняют подбором числа витков L’L».

Частота генерации определяется по формуле:

Емкостная трехточечная схема

 

В этой схеме, аналогично предыдущей, режим по постоянному току определяют элементы R1, R2, R3, R4, C2.
В коллекторную цепь транзистора включен контур L1C3C4. Сигнал ПОС снимается с кондера С4 и через конденсатор С1 поступает в базовую цепь. С1 не пропускает высокое коллекторное напряжение на базу транзистора.
Общую точку конденсаторв С3, С4 можно считать подключенной к источнику питания, поскольку его сопротивление переменному току незначительно.

Частота генерации определяется по формуле:

Стабилизация частоты LC-генераторов

Очень важным требованием, предъявляемым к генераторам, является стабильность частоты генерируемых колебаний. Нестабильность частоты зависит от многих факторов, а именно:

  • Изменение окружающей температуры
  • Изменение напряжения источника питания
  • Механическая вибрация и деформация деталей
  • Шумы активных элементов

Нестабильность частоты оценивается коэффициентом относительной нестабильности:

Существует два способа стабилизации частоты:

  • Параметрический способ стабилизации
  • Кварцевый способ стабилизации

При первом способе используется изготовление деталей из материалов, мало изменяющих свои свойства при изменении температуры и других факторов. Используется экранирование и герметизация контуров, высокая стабильность источника питания, рациональность монтажа и прочее. Однако этим методом нельзя обеспечить высокую стабильность частоты. Относительный коэффициент нестабильности частоты колеблется в пределах 10-4 — 10-5.

Значительно большей стабильности можно достичь, если применить способ кварцевой стабилизации, основанный на применении кварцевого резонатора. Кварцевые пластины резонатора обладают пьезоэлектрическим эффектом, который, если кто забыл, бывает двух видов:

  • Прямой пьезоэффект — при растяжении или сжатии кварцевой пластины на её противоположных гранях возникают равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению, а знаки зависят от направления силы давления
  • Обратный пьезоэффект — если к граням кварцевой пластины приложить электрическое напряжение, то пластина будет сжиматься или разжиматься в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора


зависимость реактивного сопротивления от частоты

Особо не вдаваясь в подробности теории цепей, из рисунков видно, что кварц может быть эквивалентом, как последовательного колебательного контура, так и параллельного.

На частоте f01 происходит резонанс напряжений. Эта частота определяется по формуле:

На частоте f02 происходит резонанс токов, и эта частота определяется по формуле:

Таким образом, кварцевый резонатор можно включать как вместо конденсатора, так и вместо катушки в контуре.
При использовании кварцевого способа стабилизации коэффициент относительной нестабильности достигает 10-7 — 10-10.


Примечание: сайт-источник naf-st.ru

LC-автогенераторы | conture.by

Двухточечный LC-автогенератор с трансформаторной обратной связью

Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 — Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с трансформаторной обратной связью

В этом генераторе в качестве усилительного элемента используется транзистор VT1 включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора является параллельный колебательный контур L2 C2. Этот контур используется как колебательная система, с помощью которой формируются колебания, и как избирательная цепь, от которой зависит частота и форма колебаний. Катушки индуктивности L1 и L2 образуют высокочастотный трансформатор. Кроме того катушка L1 является элементом обратной связи, с помощью которого колебания подаются на базу транзистора. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. С его помощью на транзистор подается напряжение смещения U0, которым задается положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Резистор R3 является температурной стабилизацией транзистора. Также R3 с конденсатором C4 образуют цепь автоматического смещения, которая осуществляет перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий. Конденсаторы С1 и С3 являются разделительными, и отделяют постоянную составляющую тока питания от переменной составляющей колебания. Электропитание генератора осуществляется от источника Ек.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении источника питания Ек происходит заряд конденсатора C2, который затем разряжается на L2. Таким образом, в контуре появляются колебания. Эти колебания, за счет ЭДС взаимоиндукции, возбуждают переменное напряжение в катушке L1, которое вместе с напряжением смещения U0 поступает на базу транзистора. За счет усилительных свойств возникшие колебания нарастают. По мере нарастания амплитуды колебаний возрастает ток базы транзистора. Постоянная составляющая этого тока создает падение напряжения на R3 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор С4). В результате этого, напряжение смещение, подаваемое на транзистор, уменьшается. Уменьшение U0 приводит к смещению рабочей точки вниз по характеристике, и генератор переходит в жесткий режим самовозбуждения. Колебания возрастают до значения точки устойчивого равновесия, и затем генератор переходит в стационарный режим работы.

Условие баланса амплитуд выполняется за счет усилительных свойств транзистора. Условие баланса фаз выполняется за счет транзистора включенного по схеме с общим эмиттером (осуществляет сдвиг фазы на 180°) и катушек индуктивности L1 и L2 (при подобном включении, каждая катушка  сдвигает фазу на 90°).

Частота колебаний вырабатываемых данным автогенератором определяется выражением

wг=l(sqlrt(L2С2))                                                                                              (15)

Амплитуда генерируемых колебаний определяется выражением

Umвых=Im1?wг?L2                                                                             (16)

Коэффициент обратной связи определяется выражением

Кос=М/L2                                                                                       (17)

где М — взаимная индуктивность между катушками L1 и L2.

Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством

М(sqrt(L2C2? QSдиф))>1                                                                                                  (18)

где Q — добротность колебательного контура;

Sдиф — дифференциальная крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента.

Трехточечные автогенераторы

Как отмечалось выше трехточечным автогенератором является генератор, в котором колебательный контур подключается к усилительному элементу тремя точками. В этих генераторах используются колебательные контуры второго и  третьего рода. Чтобы определить местоположение элементов колебательной системы таких генераторов рассмотрим обобщенную трехточечную схему. В этой схеме (рисунок 12) элементы колебательной системы заменим реактивными сопротивлениями XКБ, XБЭ, XКЭ (активными сопротивлениями можно пренебречь). Индексы обозначают точки подключения этих элементов к транзистору.

Элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками индуктивности или более сложными электрическими цепями. В такой схеме автогенератора колебания могут возникнуть на частоте генерации fг при выполнении условия резонанса

XКБ+XБЭ+XКЭ=0                                                                            (19)

Рисунок 12 — Обобщенная трухточечная схема автогенератора

Следовательно, один из элементов должен иметь противоположный знак по отношению к двум другим элементам. Определить знаки элементов можно исходя из коэффициента обратной связи

Кос= XБЭ/XКЭ                                                                                 (20)

Согласно уравнению автогенератора коэффициент обратной связи должен быть положительным. Следовательно элементы XБЭ, XКЭ должны иметь одинаковый знак, а элемент XКБ должен иметь противоположный знак. В соответствии с вышеизложенным можно составить два варианта трехточечных схем: емкостную (рисунок 13, а) и индуктивную (рисунок 13, б).

Рисунок 13 — Упрощенные трёхточечные схемы автогенераторов

Одним из генераторов, эквивалентным трехточечной индуктивной схеме, является LC автогенератор с автотрансформаторной связью. Принципиальная электрическая схема этого генератора приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 — Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с автотрансформаторной обратной связью

В этом генераторе используется колебательный контур второго рода L1 C4. Колебательный контур подключается к транзистору VT1 через блокировочные конденсаторы большой емкости С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Начальное смещение рабочей точки задается делителем напряжения R1 R2. Перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий осуществляется цепью автоматического смещения R3 C3. Элементы С2 R4 выполняют функции фильтра цепи питания, который предотвращает влияние высокочастотных колебаний на источник постоянного тока Ек.

Конденсатор С5 является разделительным конденсатором, он предотвращает поступление постоянной составляющей тока питания в нагрузку. Элементом обратной связи является часть витков катушки L1 включенная между базой и коллектором транзистора. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (часть витков катушки L1 включенная между коллектором и эмиттером) и емкостной ветвью (конденсатор С4 и часть витков катушки L1 включенная между базой и эмиттером транзистора). Т. к. токи в этих ветвях в любой момент времени противофазны, то  баланс фаз будет соблюден (транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, также дает сдвиг фазы 180°).

Частота колебаний генератора с автотрансформаторной связью определяется выражением

wг= l(sqrt( L1 C4)                                                                                                   (21)

Коэффициент обратной связи для этого генератора определяется выражением

Кос=Lбэ/Lкэ                                                                                  (22)

где Lбэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между базой и эмиттером транзистора VT1;

Lкэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между коллектором и эмиттером транзистора VT1.

Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством

LбэLкэQSдиф/sqrt (Lбэ +Lкэ)^3 C4 >1                                                                                                    (23)

Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с емкостной обратной связью эквивалентный трехточечной емкостной схеме приведена на    рисунке 15.

Рисунок 15 — Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с емкостной обратной связью

В этом генераторе используется колебательный контур третьего рода С4 С5 L2. Контур подключается к транзистору через блокировочные конденсаторы С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Дроссель L1 с конденсатором С7 образуют фильтр цепи питания. В данной схеме используется схема параллельного коллекторного питания, в которой источник питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу. Элементом обратной связи является конденсатор С5. Назначение остальных элементов схемы аналогично схеме представленной на рисунке 14. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (элементы L2 С5) и емкостной ветвью (конденсатор С4). Токи в этих ветвях в любой момент противофазны, поэтому баланс фаз также соблюдается.

Частота колебаний автогенератора с емкостной обратной связью определяется по выражению

wг= sqrt((C45)/(С4 С5 L2))                                                                                                       (24)

Коэффициент обратной связи этого генератора определяется как

Кос=С45                                                                                     (25)

Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством:

sqrt(С4С5L2Qsдиф)/(C4+C5)^3    >   1                                                   (26)

Lc-генераторы

Условия самовозбуждения, механизм возникновения гармонических колебаний и зависимость их частоты от параметров схемы, рассмотрим на примере современногоLC-генератора на аналоговой интегральной микросхеме — операционном усилителе — ОУ (рис. 9).

Усилитель автогенератора охвачен двумя цепями ОС, обеспечивающих режимы балансов амплитуд и фаз. Баланс амплитуд устанавливается цепью отрицательной ОС, содержащей резисторы R1иR2.С ее помощью задается необходимый коэффициент усиления собственно усилителя |К| = R2/R1. Баланс фаз обеспечивается цепью положительной ОС, состоящей из последовательно включенных резистораRи параллельного колебательного контура. Коэффициент передачи цепи положительной ОС определяется формулой:

Β=R0/(R0+R), (1)

Где Rо—резонансное сопротивление параллельного контура.

На основании первого закона Кирхгофа запишем уравнение токов для неинвертирующего входа ОУ (аргумент tу функций тока и напряжений здесь и далее опущен для упрощения): ,iвх+iR+iCiL=0

Рис. 9 Схема LCгенератора на ОУ

Поскольку в идеальном ОУ iвх=0, то

IR+iC+iL=0 (2) Выразим эти токи через токи через соответствующие им напряжения

(3)

Введем известное соотношение Uвх =Uвых/K. Тогда, после дифференцирования по времени и несложных преобразований, уравнение (3) примет вид:

(4)

Поделив все члены формулы (3) на С, запишем

(5),

где — резонансная частота контура.

Обозначив эквивалентный коэффициент затуханиякак

(6)

получим общепринятую в математике форму записи дифференциального уравнения, описывающего колебательный процесс рассматриваемом автогенераторе:

(7)

Уравнение (7) является нелинейным,так как коэффициент усиления К,а, следовательно, и параметр а, зависят от входного напряжения. Как показывает математический анализ, точное решение уравнения (7) очень сложно и громоздко, поэтому в теории генераторов используют приближенные методы. Наиболее простой (с достаточно грубым приближением) способ решения состоит в линеаризации уравнения, и его применяют для определения условий самовозбуждения генератора. Решение будет точным лишь при малых амплитудах входного напряжения, когда рабочий участок амплитудной характеристики усилителя можно считать линейным.

Результат решения линеаризированного дифференциального уравнения (7) описывает гармоническое колебание с экспоненциально изменяющейся амплитудой:

(8)

где U(0) – постоянная, определяемая начальными условиями, а

(9) – частота свободных колебаний в контуре.

Рис. 10.Характер изменения амплитуды колебаний вLC-генераторе:

а— α = 0,- б— α < 0; в— α = 0>0

Характер возникновения и изменения амплитуды выходных колебаний зависит от величины и знака параметра α, и соответственно, от коэффициента усиленияК.При работе автогенератора возможны три специфических случая (рис. 10).

1. α= 0,== 0). Генерируется входное гармоническое колебание с постоянной амплитудой и частотой (рис. 10).

2. а < 0, (K>1). Возникают выходные колебания, амплитуда которых нарастает по экспоненциальному закону (рис. 10,б).

3. α>0(К <1). Амплитуда выходных колебаний генератора затухает по экспоненциальному закону (рис. 10в).

Несложный анализ этих положений показывает, что самовозбуждение автогенератора, как и следовало ожидать, возможно при коэффициенте усиления К >1. Амплитуда выходного колебания в этом случае будет нарастать до перехода усилителя в нелинейный режим усиления. Из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя с цепью положительной ОС величинаКосбудет автоматически уменьшаться до единицы и завершится переводом автогенератора в стационарный режим. Отметим, что реальная форма кривой выходного колебания несколько отличается от синусоидальной. Однако на достаточно высоких частотах несложно реализовать колебательный контур с большой добротностью, поэтому выходное колебание может быть практически синусоидальным с частотой колебаний ωР= ωСВ.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о