|
|
Автогенераторы. АВТОГЕНЕРАТОРЫ полная лекция. Условия самовозбуждения автогенераторов
Рис. 8. Обобщённая схема LC — генератора на элементе с отрицательным сопротивлением
Наибольшее применение в автогенераторах гармонических колебаний получили туннельные диоды.
В таком автогенераторе частота генерируемых колебаний:
где Lк и Ск _ индуктивность катушки и емкость конденсатора колебательного контура; Rэк — эквивалентные активные потери в контуре.
Туннельные диоды в автогенераторах позволяют получить колебания с частотой до 100 ГГц, т. е. колебания диапазона СВЧ.
Широкое применение туннельных диодов объясняется их малыми габаритами, массой и высокой экономичностью. Отметим, что наиболее целесообразно использовать туннельные диоды для получения колебаний в диапазоне СВЧ, где их преимущества проявляются в наибольшей степени.
5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ
Стабильность частоты автогенераторов является одним из важнейших параметров, в значительной степени определяющих надежность и точность работы устройств промышленной электроники. Нестабильность частоты генерируемых колебаний зависит от изменений температуры, влажности, давления, от механических воздействий, колебаний напряжения питания, внешних электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов. Воздействие дестабилизирующих факторов на стабильность частоты проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и RC-цепей обратных связей. Стабильность частоты автогенераторов зависит также от паразитных емкостей и индуктивностей и их изменений, которые так или иначе влияют на частоту f0 и которые необходимо учитывать при расчетах и настройке автогенераторов.
Влияние температуры сказывается на изменениях линейных размеров индуктивных катушек и конденсаторов. Так, с повышением температуры линейные размеры указанных элементов изменяются, что влечет за собой изменение емкости и индуктивности колебательного контура соответственно на DC и DL. Относительное изменение емкости конденсатора ΔС/С при изменении температуры на 1 °C называют температурным коэффициентом емкости (ТКС). Он может быть как положительным, так и отрицательным. Например, керамические конденсаторы выпускают с положительным ТКС порядка (30…50)∙10-6 1/°С и с отрицательным ТКС (30–50)∙10-6 1/°С. Относительное изменение индуктивности катушки ΔL/L при изменении температуры на ГС называют температурным коэффициентом индуктивности (TKL).
У лучших по термостабильности катушек TKL имеет значение (50…100)∙10-6 1/°С. При изменении температуры изменяется и сопротивление резисторов. Относительное изменение сопротивления резистора ΔR/R при изменении температуры на 1 °C называют температурным коэффициентом сопротивления (ТKR). Оно также может быть положительным и отрицательным. У линейных углеродистых резисторов широкого применения типов ВС и УЛИ TKR отрицательный и имеет значение —10-3…10-5 1/°С. Металлизированные резисторы широкого применения, например типа МЛТ, имеют положительный TKR порядка 10-4 1/°С.
Следует отметить также, что на нестабильность генерируемой частоты, вызванную изменением температуры, сильно влияют изменения параметров транзисторов. Нестабильность частоты автогенераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности Δf/f0, где f0— рабочая (номинальная) частота автогенератора; Δf — отклонение частоты от рабочей.
Для уменьшения нестабильности частоты используют различные способы стабилизации частоты. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты.
Параметрическая стабилизация частоты сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту генерируемых колебаний, а также к подбору элементов генератора, обеспечивающих минимальные изменения частоты. Для уменьшения влияния температуры на изменение емкости конденсаторов и сопротивления резисторов в автогенератор включают конденсаторы и резисторы с отрицательными и положительными ТКС и TKR. Снижение воздействия температуры на индуктивность катушек достигается за счет применения специальных материалов для каркасов катушек. Для исключения влияния температуры на параметры транзисторов в отдельных случаях автогенераторы помещают в термостат.
Уменьшение влияния механических ударов и вибрации достигается применением массивных корпусов (шасси), на которых крепят детали автогенератора, амортизационных прокладок из губчатой резины, специальных подвесок и т. д. Печатный монтаж и использование проводов индуктивных катушек, вжигаемых в керамику, практически полностью устраняют влияние механических воздействий. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 1-5.
Для уменьшения воздействия внешних электромагнитных полей автогенераторы обычно полностью экранируют. Применение стабилизаторов напряжения исключает влияние на частоту колебаний питающего напряжения.
Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность частоты, обычно порядка 10-8. Индуктивность кварца Lкв может быть значительной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца Скв мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении Rкв порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает 105…106, т, е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — катушке индуктивности и конденсаторе.
Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливают его различное включение в автогенератор. Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур (рис. 9, а) или в трехточечный автогенератор как индуктивный элемент ветви колебательного контура (рис. 9, б).
Рис. 9. Схемы автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты
Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — у некоторых кристаллов она имеет значение 10-8.
В схеме рис. 9, б кварц включен как индуктивный элемент. Вместе с межэлектродными емкостями Сси и Сзи рассматриваемый автогенератор представляет собой емкостную трехточку, что видно из его схемы.
Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенераторах, работающих на фиксированных частотах (низкой и высокой), что является ее недостатком. Рассмотренные кварцевые автогенераторы являются простейшими. Современный кварцевый автогенератор с высокой стабильностью частоты представляет собой довольно сложное устройство, содержащее стабилизаторы напряжения питания, а также такие элементы параметрической стабилизации, как амортизаторы и влагозащитные корпуса. Для получения стабильных колебаний звуковой и инфранизкой частот служат камертонные и магнитострикционные вибраторы, выполненные из специальных сплавов. В СВЧ-генераторах в качестве стабилизирующих контуров применяют устройства, называемые полыми резонаторами, с добротностью 104…105.
6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МУЛЬТИВИБРАТОРА
Импульсы прямоугольной формы имеют резкие перепады напряжения и тока во время формирования фронта и среза, поэтому их можно отнести к колебаниям релаксационного типа, для которых характерны скачкообразные изменения напряжения и тока.
Генераторы, которые вырабатывают такие колебания, называют релаксационными. Широкое распространение нашли релаксационные генераторы на основе усилителей с положительной обратной связью (рис. 10).
Рис. 10. Преобразование двухкаскадного УЗЧ в мультивибратор
На рис. 10, а изображена схема двухкаскадного усилителя звуковой частоты с выходом на головные телефоны. Если выход такого усилителя соединить с его входом, как на рис. 10, а показано штриховой линией, то между каскадами возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится — станет генератором прямоугольных колебаний, и в телефонах мы услышим звуковой сигнал.
Теперь посмотрим на рис. 10, б. На нем изображена схема того же усилителя, только начертание ее несколько изменилось. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов.
В мультивибраторе оба транзистора могут находиться в активном режиме очень короткое время, так как в результате действия положительной обратной связи схема скачком переходит в состояние, когда один транзистор открыт, а другой закрыт. Примем для определенности, что в момент времени tо транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт (рис. 11).
Рис. 11. Схема простейшего мультивибратора на транзисторах
Конденсатор С1 за счет тока, протекавшего в схеме в предыдущие моменты времени, заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что к базе транзистора VT2 относительно эмиттера приложено отрицательное напряжение и VT2 закрыт. Поскольку один транзистор закрыт, а другой открыт и насыщен, в схеме не выполняется условие самовозбуждения, так как коэффициенты усиления каскадов К1 = К2 = 0. В таком состоянии в схеме протекают два процесса. Один процесс связан с протеканием тока перезарядки конденсатора С1 от источника питания по цепи: резистор R1 — открытый транзистор VT1.
Второй процесс обусловлен зарядкой конденсатора С2 через резистор Rк2 и базовую цепь транзистора VT1, в результате напряжение на коллекторе транзистора VT2 увеличивается (рис. 12).
Рис. 12. Временные диаграммы мультивибратора
Поскольку резистор, включаемый в базовую цепь транзистора, имеет бóльшее сопротивление, чем коллекторный резистор (R1 > Rк2), время зарядки конденсатора С2 меньше времени перезарядки конденсатора С1.
Процесс зарядки конденсатора С2 носит экспоненциальный характер с постоянной времени τ2 = Rк2C2. Следовательно, время зарядки конденсатора С2, а также время нарастания коллекторного напряжения uкэ2, т. е. длительность фронта импульса τф1 = (3…5)Rк2C2. За это время конденсатор С2 заряжается до напряжения UC2= Uп — Uбэ. нас
= Uп, где Uп — напряжение источника питания.
В связи с перезарядкой конденсатора С1 напряжение на базе uбэ2 транзистора VT2 нарастает, но пока uбэ2 < Uотп
= Uбэ.нас транзистор VT2 закрыт, а транзистор VT1 открыт, поскольку его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания через резистор R2. Базовое uбэ1 и коллекторное uкэ1, напряжения транзистора VT1 при этом не изменяются. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.
В момент времени t1 по мере перезарядки конденсатора напряжение на базе транзистора VT2 достигает напряжения открывания и транзистор VT2 переходит в активный режим работы, для которого К2 > 1. При открывании VT2 увеличивается коллекторный ток iк2 и соответственно уменьшается uкэ2. Уменьшение uкэ2 вызывает снижение базового тока транзистора VT1, что в свою очередь приводит к уменьшению коллекторного тока iк1. Снижение тока iк1 сопровождается увеличением базового тока транзистора VT2, поскольку ток, протекающий через резистор Rк1, ответвляется в базу транзистора VT2, и Δiб2 = — Δiк1. После того как транзистор VT1 выйдет из режима насыщения, в схеме выполняется условие самовозбуждения К1 > 1. При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается, когда транзистор VT2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT1 — в режим отсечки.
В дальнейшем практически разряженный конденсатор C1 (uc1 = UБЭ. нас — UКЭ. нас) заряжается от источника питания по цепи: резистор Rк1 — базовая цепь открытого транзистора VT2 по экспоненциальному закону с постоянной времени τ1 = Rк1∙C1. В результате в течение времени τф1 = (3…5)С1∙Rк1 происходит увеличение напряжения на конденсаторе С1 до uc1 = Uп — UБЭ. нас и формируется фронт коллекторного напряжения ик| транзистора VT1.
Закрытое состояние транзистора VT1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения Un конденсатор С2 через открытый транзистор VT2 подключен к промежутку база-эмиттер транзистора VT1, чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. С течением времени запирающее напряжение на базе изменяется, поскольку конденсатор С2 перезаряжается по цепи: резистор R2 — открытый транзистор VT2. В момент времени t2 напряжение на базе транзистора VT1 достигает значения uотп
= UБЭ и он открывается.
В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор VT1 переходит в режим насыщения, a VT2 закрывается. Конденсатор С1 оказывается заряженным до напряжения uc1 = Uп — UБЭ. нас, а конденсатор С2 практически разряжен (uc2 = UБЭ. нас — UКЭ. нас). Это соответствует моменту времени t0, с которого началось рассмотрение процессов в схеме. На этом полный цикл работы мультивибратора заканчивается, так как в дальнейшем процессы в схеме повторяются.
Как следует из временной диаграммы (рис. 12), в мультивибраторе периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае, когда нагрузка подключается к коллектору транзистора VT2, длительность импульсов tи определяется процессом перезарядки конденсатора С1, а длительность паузы tп3 — процессом перезарядки конденсатора С2.
Примерную частоту колебаний мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: f = 700/(RC), где f — частота в герцах, R — сопротивление базовых резисторов в килоомах, С — емкость конденсатора связи в микрофарадах.
7. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
7.1. Генератор для настройки радиоаппаратуры
Предлагается схема несложного генератора (рис. 13) для ремонта и настройки радиовещательных приемников и бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры.
Рис. 13. Схема генератора для настройки аппаратуры
В отличие от опубликованных ранее подобных схем, в нем отсутствуют их основные недостатки:
— нет намоточных элементов;
— нет необходимости пользоваться различными выходными зажимами или переключателем ВЧ-НЧ, т. к. сигнал на выходе состоит из НЧ (1 кГц) и ВЧ (465 кГц), промодулированной по амплитуде.
Для генератора характерны:
• простота настройки;
• широкий диапазон питающих напряжений.
Каскад на транзисторе VT1—генератор НЧ с частотой пример но 1 кГц близкой к синусоидальной форме, VT2 — истоковый повторитель и модулятор, УТЗ — генератор ВЧ (465 КГц) с пьезокерамическим фильтром (ПКФ) в цепи ОС. R6 задаст режим работы каскада, R7 служит нагрузкой. Конденсатор С5 является блокировочным для ВЧ.
На транзисторе VT4 собран эмиттерный повторитель, через который на выход поступают одновременно НЧ и ВЧ.
Благодаря высокой стабильности и малому отклонению от стандартной ПЧ, имеется возможность настроить контуры ПЧ на 465 кГц. Настройка пробника сводится к подбору R4 так, чтобы напряжение на коллекторе VT1 равнялось половине напряжения питания, и подбору R6 (без включенного ПКФ) до напряжения на коллекторе VT3, равного примерно трети напряжения питания. При соотношениях R5 = R4/B1 и R7 = R6/B3 настройка не требуется. Здесь В1 и ВЗ — статические коэффициенты усиления по току транзисторов VT1 и VT3 соответственно.
VT2 можно заменить обычным биполярным транзистором в соответствующем включении: Б — затвор, К — сток, Э — исток. ПКФ — типа ФП1П — 022…027.
7.2. Генератор ВЧ
Предлагается схема ГВЧ с повышенной стабильностью (рис. 14). Она обладает большими входным и выходным сопротивлениями и меньшей выходной емкостью, чем стандартная индуктивная трехточка. Транзисторы включены по схеме «Общий сток — общая база», VT1 служит для развязки. Выходное напряжение генератора — 0,1…0,2 В. В цепь коллектора VT1 может быть включен (обязательно через резистор 50…100 Ом) дополнительный контур, настроенный на основную частоту или гармонику. Возможные варианты включения основного контура показаны на рис. 15. Конденсатор С2 может иметь емкость порядка единиц пикофарад. Движок R2 устанавливают в нижнее по схеме положение и двигают до получения генерации на самой низкой частоте контура. Для получения гармоник движок устанавливают выше. Если стабильность не так важна, а нужна равномерность по амплитуде, применяют полное включение контура. На НЧ-диапазонах его шунтируют резистором величиной несколько килоом.
|
|
|
Скачать 0.59 Mb.