СПРАВОЧНИК МОЛОДОГО РАДИСТА
       

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.

Рис. 100. Схемы автогенераторов с индуктивной обратной связью: а — функциональная, б — транзисторная, в — ламповая

Автогенератор представляет собой резонансный усилитель (на-, грузкой служит резонансный контур) с положительной обратной связью (см. рис. 76, а), в котором выполнено условие самовозбуж­дения KР=1 (см. § 41). 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 (рис. 100, а) 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) и емкостной ОС. Применяют также схемы двухконтурных генераторов с электронной связью и обратной связью через меж­дуэлектродные емкости.



Рис. 101. Изменение токов и напряжений в транзисторной (а) и лам­повой (б) схемах генератора

Схемы автогенераторов с индуктивной (трансформаторной) обратной связью показаны на рис. 100, б, в. 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 показан на рис. 101, а, б. 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 (см. рис. 76) 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 (см. рис. 76, а) 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 (см. рис. 75) 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.



Рис. 102. Схемы автогенераторов с параллельным питаниемг а — транзисторная, б — ламповая

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 (см. рис. 100, б) 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 (см. рис. 100, в) 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 £см=«, :-=Iсо Rc.

Электропитание автогенераторов. Схемы автогенераторов (см. рис. 100, а — в) 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 (рис. 102, а, б) 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.

 

§ 50. Рабочие режимы генераторов

Исходный режим работы электронного генератора устанавлива­ется значением напряжения смещения, определяющего положение рабочей точки на характеристиках. Различают два основных режима работы электронных генераторов: колебаний I рода и колебаний II рода. Режим колебаний I рода получают при «малом» сигнале, когда генератор работает с углом отсечки 6=180° (режим А). При «большом» сигнале генератор работает с нижней отсечкой коллек­торного (анодного) тока с в=90°. Импульсы тока в этом режиме относят к колебаниям II рода, а работу транзисторов (ламп) — к режиму В (при 0=90°) или к С (при 0<90°).


Для генераторов о внешним возбуждением, используемым в качестве усилителей мощ­ности, предпочтительны режимы В и С, при которых обеспечивается более высокий коэффициент усиления и кпд.

В транзисторных схемах при открытом эмиттерном переходе транзистор может находиться в активном состоянии или в насыще­нии. По этому признаку применяемые в генераторах режимы рабо­ты можно разделить на недонапряженный, критический и перена­пряженный. Если рабочая точка в период колебаний находится в активной области А семейства коллекторн-ых характеристик (рис. 103, а), режим работы генератора является недонапряженным, кото« рый характеризуется относительно малым током базы, косинусо-идальной формой импульса коллекторного тока, большой мощностью рассеивания на коллекторе и малым кпд выходной цепи.

При заходе рабочей точки в период колебаний в область насы­щения Я режим работы генератора становится перенапряженным, который характеризуется относительно большим током базы (вследствие чего в верхней части импульса коллекторного тока по­является характерный провал, рис. 103,6), высоким кпд выходной цепи, незначительным влиянием изменений нагрузки на выходное на­пряжение. Недостатком перенапряженного режима является рост мощностей возбуждения и их рассеивания во входной цепи, а так­же некоторое снижение колебательной мощности и коэффициента усиления.

Между рассмотренными предельными режимами лежит критический (оптимальный) режим, которому соответствует линия критического режима, проходящая через точки резкого спада коллектор­ного тока (прямая 1 на рис. 103, а). В этом режиме токи базы от­носительно невелики и не вызывают существенных искажений формы импульса коллекторного тока, невелика и мощность возбуждения, а мощность и кпд выходной цепи близки к максимальным.

Иногда на семействе коллекторных характеристик приводится линия параметрического режима IK=Ф(UKa), указывающая зависи­мость усилительных свойств транзистора от коллекторного тока и напряжения (прямая 2 на рис. 103,а).


По ходу этой линии лежит область граничного режима работы генератора. Слева от линии ле­жит область параметрического режима с резко меняющейся зави-симрстью параметров транзистора от режима работы, а справа — область допараметрического режима, которой присуще постоянство параметров транзистора.



Рис. 103. Статические характеристики транзистора (а) и перена­пряженного режима (б), графики коэффициентов разложения им­пульсных токов (в)

При работе с нижней отсечкой коллекторный ток имеет форму периодически повторяющихся импульсов. При подаче косинусо-идального возбуждающего напряжения и работе в недонапряженном режиме каждый импульс коллекторного тока представляет собой часть косинусоиды. Известно, что всякая периодическая функция может быть разложена в тригонометрический ряд Фурье. Вследствие этого последовательность периодически повторяющихся импульсов коллекторного-тока можно представить в виде суммы, содержащей постоянную составляющую Iко (среднее значение) рассматриваемого тока и ряд переменных составляющих (гармоник) IK1m, Iк2т,..., Iктп.

Гармонический состав импульсов коллекторного тока и их ам­плитуды существенно зависят от угла отсечки  0 и максимального значения 1кт импульса тока. Максимальный ток 1кт в импульсе в критическом и недонапряженном режимах определяют по семейству статических характеристик транзистора при напряжениях Uбмакс=EЭ6-Uбт и Uк мин = Uкт - Ек. Компоненты коллекторного тока -постоянную составляющую Iко, амплитуду первой, 1к1т, второй IK2m и других гармоник — определяют по наибольшему значению кол­лекторного тока в импульсе 1кт и коэффициентам разложения

Iко=аоIкт; Iкип = а1Iкт,..., Iкп=апIкт, где ао, а1..., ап — коэффи­циенты разложения косинусоидального импульса тока, определяе­мые по специальным таблицам А. И. Берга или номограммам в за­висимости от угла отсечки 6 (рис. 103, в).

 



Содержание раздела