.

Устройство и принцип действия генераторов гармонических колебаний

Устройство и принцип действия генераторов  Общие сведения. Электронными генераторами гармонических колебаний называют автоколебательные системы, в которых энер­гия источников питания постоянного тока преобразуется в энергию незатухающих электрических сигналов переменного тока требуемой частоты. Электрические сигналы, формируемые генератором, должны быть стабильными по частоте и амплитуде, синусоидальными по форме. По принципу действия различают генераторы с самовозбуж­дением (автогенераторы) и с внешним (посторонним) возбуждением. Автогенераторы используют в качестве возбудителей колебаний требуемых частот, т. е. задающих генераторов. Получаемые от них колебания поступают в последующие каскады с целью усиления мощности или умножения частоты. Генераторы с внешним возбуж­дением являются по существу усилителями и служат для усиления мощности или умножения частоты высокочастотных колебаний.
Автогенератор представляет собой резонансный усилитель (нагрузкой служит резонансный контур) с положительной обратной связью в котором выполнено условие самовозбуж­дения KР=1. Если это условие выполняется только для одной частоты, генерируемые колебания имеют синусоидальную форму, если для многих частот, — сложную форму. Обычно это ус­ловие реализуется в генераторах релаксационных (несинусоидаль­ных) колебаний — мультивибраторах, блокннг-генераторах и др.
Принцип действия. Функциональная схема автогенератора состоит из колебательной системы КС (обычно конту­ра), в которой возбуждаются требуемые незатухающие колебания; источника электрической энергии ИЭ (источника питания), благо­даря которому в контуре поддерживаются незатухающие колеба­ния; усилительного элемента УЭ (транзистора или лампы), с по­мощью которого регулируется подача энергии от источника в кон­тур; элемента обратной связи ЭОС, который осуществляет подачу возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную.
По способу осуществления обратной связи различают автоге­нераторы с
  • индуктивной (трансформаторной или автотрансформа­торной)
  • емкостной ОС.
Применяют также схемы двухконтурных генераторов с электронной связью и обратной связью через меж­дуэлектродные емкости.Схемы автогенераторов с индуктивной (трансформаторной) обратной связью. При включении источ­ников питания в коллекторной (анодной) цепи транзистора (лам­пы) возникает ток коллектора, который заряжает конденсатор колебательного контура. После заряда конденсатор разряжается на катушку, В результате в контуре LK CK возникают свободные ко­лебания с частотой fо = 1/(2п\/ LKCK), индуктирующие в катушке связи Lc переменное напряжение той же частоты, с которой проис­ходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора (анода). Переменная составляющая тока воспол­няет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное тран« зистором переменное напряжение.
Процесс возникновения колебаний в генераторе. В начальный момент (при включении источника пи­тания) свободные колебания в контуре имеют малую амплитуду, поэтому индуктированное этими колебаниями напряжение возбуж­дения на базе транзистора Uб или сетке лампы Uc невелико. После усиления сигнала усилительным элементом ток в контуре iK(i*) воз­растает, в результате чего увеличивается амплитуда напряжения возбуждения U6(Ue), а следовательно, и амплитуда тока в контуре. В установившемся режиме рост тока в контуре ограничивается сопротивлением потерь контура а также затуханием, вносимым в контур за счет прохождения тока по обмотке ОС. Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выпол­нении фазового (баланс фаз) и амплитудного (баланс амплитуд) условий самовозбуждения генератора. Фазовое условие сводится к тому, что в схеме генератора долж­на быть установлена положительная ОС между выходной и вход­ной цепями транзистора (лампы). В этом режиме обеспечивается восполнение потерь энергии в контуре. Фазовое условие самовоз­буждения выполняется, если суммарный сдвиг фаз усилительной цепи К и цепи обратной связи 0 составляет 2лп, где-n=0, 1, 2... Фазовое условие удовлетворяется, если переменное напряжение на входе усилительного элемента изменяется в про-тивофазе с переменным напряжением на« контуре выходной цепи. Обычно резонансное сопротивление параллельного контура име« ет чисто активный характер. При воздействии»на базу (сетку) сиг­нала с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллек­торе (аноде) будет сдвинуто по фазе на 180° (как в обычном резиг сторном каскаде усиления). Напряжение, индуктируемое в обмотке обратной связи Lc за счет тока Iк, проходящего через контурную катушку LK, равно Uр=±jw0MIк, где М — коэффициент взаимоин­дукции между катушками. Правильная фазировка колебаний дости­гается соответствующим включением в схему концов катушки ОС, при котором U$ = — jwоМIк.  В этом случае общий фазовый сдвиг в схеме фк+фр =0, т. е. установится положительная ОС.
Амплитудное условие самовозбуждения схемы состоит в том, что для возникновения автоколебательного режима затухание сиг­нала, вносимое цепью ОС, должно компенсироваться усилителем. Глубина положительной ОС должна быть такой, чтобы полностью восполнялись потери энергии в контуре. При положительной ОС коэффициент усиления  k$ =K/(1 — pK). Коэффициент передачи цепи ОС, показывающий, какая часть переменного напряжения контура подается на базу (сетку) усили­тельного элемента в установившемся режиме работы генератора. Учитывая, что усилитель с положительной ОС переходит в ре­жим генерации при условии k$ >1, коэффициент передачи цепи ОС, при котором обеспечивается самовозбуждение, р>1/Kуст. Для транзисторной схемы коэффициент усиления на резонансной часто­те в установившемся режиме где S, Ri, м — статические параметры лампы. При удовлетворении условий баланса фаз и амплитуд в схеме автогенератора возможно установление колебательного режима.
Режимы возбуждения. Генерация колебаний зависит от выбора параметров контура и усилительного элемента, а также от началь­ного режима работы. При выборе исходной рабочей точки на пря­молинейной части характеристики получаем мягкий режим самовоз­буждения, при котором достаточно небольшого изменения тока, чтобы развивались колебания. Если рабочая точка выбрана в области нижнего изгиба харак­теристик (при большом напряжении смещения), то крутизна мо­жет оказаться недостаточной для обеспечения генерации при выбран­ном значении коэффициента взаимоиндукции М. В этом режиме, называемом режимом жесткого самовозбуждения, возбуждение ге­нератора возможно лишь при большой амплитуде напряжения воз­буждения. В транзисторной схеме автогенератора для получения мягкого режима самовозбуждения ,на базу транзистора относительно эмиттера подают- начальное напряжение смещения EСм= — ER2 с делителя R1R2. По мере нарасташш амплитуды коле­баний начинает преобладать падение напряжения на резисторе Ra, поэтому в устанавившемся режиме смещение на базе станет поло­жительным: EСм=IэRэ — ЕВ2. При этом генератор переходит в более экономичный жесткий колебательный режим с малыми углами от­сечки коллекторного тока.
В ламповой схеме генератора  мягкое само­возбуждение с последующим переходом от мягкого режима к жест­кому осуществляется автоматически с помощью цепи Rc Cc, вклю­чаемой в цепь сетки. При этом лампа Л должна работать в режиме сеточных токов. В начальный момент смещение на сетке отсутству­ет, а крутизна велика. С ростом напряжения возбуждения появля-ется сеточный ток, который обеспечивает заданное смещение
Электропитание автогенераторов. Схемы автогенераторов являются схемами с последовательным питанием. поскольку транзистор (лампа) и колебательный контур LK CK по отношению к источнику £к или Е& включены последовательно и через них проходит постоянная составляющая коллекторного (анод* ного) тока. В этих схемах приближение руки к контуру LK CK (на­пример, при настройке) влияет на его емкость, а следовательно, и частоту. Кроме того, в ламповой схеме контур относительно корпуса находится под сравнительно высоким напряжением анодного источ­ника, что неудобно при обслуживании. Однако схема с последова-тельным питанием содержит меньше блокировочных элементов (кон­денсаторов, дросселей).

В схемах автогенераторов с параллельным питанием транзистор (лампа), контур LKCK и источник пи­тания Ек(Еа) включены параллельно. Принцип действия генератора, собранного по этой схеме, в основном аналогичен принципу действия генератора с последовательным питанием. Разделение переменной и постоянной составляющих коллекторного (анодного) тока дости­гается заградительными дросселями L3 и конденсаторами Ср.. Пере­менная составляющая коллекторного (анодного) тока, для которой дроссель представляет большое, а конденсатор малое сопротивле­ние, в основном проходит через транзистор (лампу) и контур, вос­полняя в нем потери энергии. Если бы в схеме не было дросселя L3, переменная составляющая тока, замыкаясь через источник, не поступала бы в контур и возникновение колебаний было бы невоз­можно. При отсутствии в схеме конденсатора Ср постоянный ток от источника ЕК(Е&), замыкаясь через дроссель L3 и катушку LK, мог бы заметно возрасти и вызвать перегрузку источника и недо­пустимый нагрев катушек L3 и LK.