![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Самовозбуждение генератора
Сущность самовозбуждения заключается в следующем. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного чаще всего в коллекторную цепь транзистора, заряжается. В контуре возникают затухающие автоколебания, причем часть тока (напряжения) этих колебаний подается на управляющие электроды активного прибора, образуя положительную обратную связь. Это приводит к пополнению энергии LС-контура. Автоколебания превращаются в незатухающие. Частота автоколебаний в первом приближении определяется резонансной частотой LC-контура:
Согласно первому закону Кирхгофа, ток в выходной цепи:
где ii − ток в индуктивности колебательного контура, iс − ток в емкости контура, ir − активная составляющая тока в контуре.
Входным током активного элемента пренебрегаем:
где Rf – сопротивление потерь в контуре. Считаем также, что ток Последнее выражение можно считать аппроксимацией характеристики прямой передачи активного элемента относительно рабочей точки. Напряжение возбуждения
Рассмотрим качественно процессы, происходящие в генераторе. Если допустить, что на входе активного элемента появились флуктуации (таковые всегда имеются), то они вызовут колебания тока
где
С ростом амплитуды колебаний всё в более сильной степени сказывается нелинейность активного элемента (АЭ), и происходит уменьшение коэффициента усиления усилителя K = При этих условиях устанавливается стационарный динамический режим с постоянной амплитудой и частотой Из этого рассуждения вытекает, что любой автогенератор должен содержать нелинейный элемент. Найдём производную тока
Здесь Относительно первого уравнения можно записать:
Дифференцируя это уравнение по времени и используя предыдущее, получим:
Для определения условий самовозбуждения последнее нелинейное уравнение можно заменить на линейное:
Это уравнение можно записать как уравнение контура:
с эквивалентным затуханием:
где Последнее дифференциальное уравнение показывает, что генератор эквивалентен колебательному контуру, коэффициент затухания которого уменьшен на величину Условие самовозбуждения генератора можно записать как:
Действие обратной связи можно объяснить и по другому, для чего запишем последнее дифференциальное уравнение в виде:
где Последнему уравнению соответствует эквивалентная схема (рис. 9.11).
Рис. 9.11
Действие обратной связи отражено включением параллельно контуру проводимости В этом случае условие самовозбуждения генератора можно записать:
Но для выполнения этого условия вносимая проводимость должна быть отрицательной ( Отрицательное активное сопротивление является источником энергии переменного тока, т.е. самовозбуждение является следствием компенсации всех активных потерь в автогенераторе. Обратная связь, способствующая самовозбуждению колебаний, называется положительной. В рассмотренном случае она соответствует М > 0. Обратная связь, затрудняющая самовозбуждение, называется отрицательной (М < 0). Для создания автогенератора, таким образом, необходима положительная обратная связь. Для изменения знака обратной связи достаточно поменять местами концы одной из обмоток трансформатора. В стационарном режиме для наличия генерации колебаний необходимо одновременно выполнить два условия:
где к = 1, 2, 3… n,
Первое условие является условием баланса фаз, которое означает, что сумма всех фазовых сдвигов по замкнутому контуру генератора равна нулю или целому числу Второе условие называется условием баланса амплитуд. Это условие означает, что в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому контуру генератора равен единице. Из этого условия определяется амплитуда колебаний.
Режимы самовозбуждения генератора Внешней характеристикой генератора является колебательная характеристика – зависимость амплитуды
Эта функция является нелинейной (рис. 9.12)
Рис. 9.12
Если считать колебательную характеристику линейной, то логично записать без активного элемента
а средняя крутизна
где Φ – угол наклона линии, соединяющей точку колебательной характеристики с началом координат. Эта характеристика называется характеристикой обратной связи. Угол наклона этой характеристики определяется величиной обратной связи. Режим генератора, в котором амплитуда колебаний плавно меняется с изменением обратной связи, называется мягким режимом самовозбуждения колебаний. В мягком режиме характеристика обратной связи и колебательная пересекаются в одной точке (рис. 9.12). Колебательная характеристика может иметь и другой вид (рис. 9.13).
Рис. 9.13
Здесь будет иметь место жесткий режим самовозбуждения. Этот режим характеризуется скачкообразным возникновением колебаний большой амплитуды при сильном увеличении величины обратной связи и скачкообразным срывом колебаний при уменьшении обратной связи. Колебательная характеристика и характеристика обратной связи пересекаются в нескольких точках. Стабильность частоты генераторов Стабильность частоты автогенераторов ограничивается нестабильностью параметров транзисторов, главным образом реактивных составляющих входного и выходного сопротивления и коэффициента передачи тока базы. Одним из способов стабилизации частоты является стабилизация напряжения питания. Большое влияние на стабильность частоты оказывает коэффициент включения контура и величина коэффициента обратной связи. Стабильность частоты в широком диапазоне температур можно повысить применением схем термостабилизации и термокомпенсации режима, а также включением параллельно основной ёмкости дополнительного конденсатора с большим отрицательным ТКЕ. Однако наибольшая стабильность может быть достигнута при использовании в качестве колебательной системы кварцевых пластин. При соответствующем изготовлении кварцевая пластина является одной из самых совершенных электромеханических колебательных систем. Кристаллический кварц обладает свойством пьезоэффекта, который заключается в том, что механическое воздействие приводит к появлению электрических зарядов на поверхности пластины, а при воздействии внешнего электрического поля её размеры меняются. Величина зарядов пропорциональна деформации, а знак меняется при замене растяжения сжатием. Кроме того, кварцевая пластина обладает рядом резонансных частот. Если частота колебаний приложенного напряжения близка к резонансной частоте кварца, то амплитуда колебаний и ток через пластину резко возрастают. Эквивалентная схема кварцевой пластины совместно с кварцедержателем имеет следующий вид (рис. 9.14).
Рис. 9.14 На рисунке C КВ – собственная емкость кварца; L КВ – собственная индуктивность кварца; r – сопротивление потерь в кварце; С о – статическая ёмкость между электродами, которая зависит от размеров и диэлектрической проницаемости кварца. Кварцевый резонатор обладает двумя резонансными частотами:
Разность частот Одна из возможных схем кварцевого генератора приведена на рис. 9.15.
Рис. 9.15 Такие схемы называются ёмкостной трёхточкой. Частоту кварцевого резонатора можно менять в небольших пределах. Для этого последовательно с ним включают конденсатор Сх, емкость которого значительно больше емкости С 0. Изменение частоты можно оценить с помощью уравнения
Принципы, положенные в основу создания кварцевых автогенераторов, остаются теми же, что и для LС -генераторов. Их можно выполнять и на основе интегральных схем, используя как последовательный, так и параллельный резонансы в электрической цепи. На практике используются оба вида резонансов. Некоторые из возможных схем генераторов с кварцевой стабилизацией частоты приведены на рис. 9.16, а, б, в. В автогенераторе (рис. 9.16, а) использован последовательный резонанс. Микросхемы DD1, DD2 типа 155ЛА7 выполняют функции усилителей. Для вывода их в активную область, в которой возможно «мягкое» возбуждение, они охвачены отрицательной ОС, введенной с помощью резисторов R 1, R 2, R 3 и R 4. Паразитное возбуждение микросхем устранено с помощью конденсаторов а б в Рис. 9.16 По существу микросхемы DD1 и DD2 представляют собой усилитель переменного тока, который не инвертирует входной сигнал. Положительная обратная связь, наблюдаемая на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора, приводит к появлению автоколебаний. Так как добротность резонатора очень велика, то при Ку, существенно большем единицы, автоколебания имеют синусоидальную форму. При очень большом Ку форма выходного напряжения отличается от синусоидальной, что не сказывается на стабильности частоты. Автогенератор (рис. 9.16, б) отличается от генератора (рис. 9.16, а) только тем, что в нем в качестве усилителя применен ОУ. Верхняя частота, на которой возможно устойчивое самовозбуждение такого генератора, обычно не превышает нескольких сотен кГц. В генераторе (рис. 9.16, в) используется параллельный резонанс. Кварцевый резонатор включен в цепь отрицательной ОС. На частоте параллельного резонанса Кварцевые генераторы широко используются в многочисленных цифровых устройствах, измерительной технике, автоматике и радиотехнике, когда нужно получить повышенную точность и стабильность частоты.
|