Меню

Генератор незатухающих электромагнитных колебаний вынужденные электрические колебания



§ 36. Генератор на транзисторе. Автоколебания

Вынужденные колебания, которые мы рассматривали до сих пор, возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях. Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи. Потребовалась бы чрезмерно большая скорость вращения ротора. Колебания высокой частоты получают с помощью других устройств, например с помощью генератора на транзисторе. Он назван так потому, что одной из основных его частей является полупроводниковый прибор — транзистор.

Автоколебательные системы. Незатухающие вынужденные колебания нередко поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения. Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Пусть в системе, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, имеется источник энергии. Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания.

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре? Известно, что если конденсатор колебательного контура зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебаний заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется (он всегда равен нулю), но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного заряда другой на равные по модулю значения. В результате энергия колебаний уменьшается, так как она согласно формуле (4.1) пропорциональна квадрату заряда одной из пластин конденсатора. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно (рис. 4.21). Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник (рис. 4.22). Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Следовательно, источник постоянного напряжения, постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания. В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник. В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору. Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа (или клапана, как его часто называют). При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор, напомним, состоит из трех различных полупроводников: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (это полупроводник p-типа), а база имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа). Схематическое изображение транзистора показано на рисунке 4.23.

Работа генератора на транзисторе. Упрощенная схема генератора на транзисторе показана на рисунке 4.24. Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный. При этом переход эмиттер — база (эмит- терный переход) является прямым, а переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет. Это соответствует разомкнутому ключу на рисунках 4.21, 4.22.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя (см. рис. 4.24) пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно. Это соответствует замкнутому ключу на рисунке 4.21.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя — положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Читайте также:  Крафт генератора в майне

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре. Необходима, как говорят, обратная связь.

Обратная связь в рассматриваемом генераторе — индуктивная. К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью LCB, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура. Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе. Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают. Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника. Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника. Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях ит.д., но и в современных электронно-вычислительных машинах.

Основные элементы автоколебательной системы. На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем (рис. 4.25).

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система — та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, — клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

Примеры других автоколебательных систем. Автоколебания возбуждаются не только в электрических системах, но и в механических. К таким системам относятся обычные часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Мы ознакомились с наиболее сложным видом колебаний — автоколебаниями. В автоколебательных системах вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.

Вопросы к параграфу

1. Что такое автоколебательная система?

2. В чем отличие автоколебаний от вынужденных и свободных колебаний?

3. Опишите свойства р—n-перехода в полупроводниках.

4. Как устроен транзистор?

5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?

6. Как осуществляется обратная связь в генераторе на транзисторе?

7. Укажите основные элементы автоколебательной системы.

8. Приведите примеры автоколебательных систем, не рассмотренные в тексте.

На этом мы заканчиваем изучение механических и электрических колебаний. Замечательна тождественность общего характера процессов различной природы, тождественность математических уравнений, которые их описывают. Эта тождественность, как мы видели, существенно облегчает изучение колебаний.

Источник

Генератор незатухающих электромагнитных колебаний на вакуумном триоде

Известно, что в реальном колебательном контуре, состоящим из замкнутого друг на друга конденсатора и катушки индуктивности всегда присутствует активное сопротивление. Возбуждённые в контуре электромагнитные колебания быстро затухают из-за выделения энергии на нагревание витков катушки индуктивности. Для создания незатухающих колебаний используется генератор, главной деталью которого является трёхэлектродная электронная лампа. Генератор электромагнитных колебаний представляет собой электронную автоколебательную систему.

Схема генератора изображена на рис. 33

В состав генератора входят источник энергии (анодная батарея с ЭДС = Еа), колебательный контур, состоящий из конденсатора ёмкостью С и катушки индуктивности L1 – это электронный осциллятор, где возбуждаются и поддерживаются незатухающими электромагнитные колебания, а также механизм обратной связи, состоящий из вакуумного триода и катушки обратной связи с индуктивностью L2.

Рассмотрим принцип действия генератора.

На рис.34 изображён железный сердечник на который надеты катушка индуктивности колебательного контура L1 и катушка обратной связи L2. При замыкании ключа К в анодной цепи возникает анодный ток, возрастающий медленно из-за явления самоиндукции в катушке обратной связи, через которую анодный ток проходит. Возрастающий анодный ток создаёт в железном сердечнике возрастающее магнитное поле. Возрастающий магнитный поток в сердечнике возбуждает ЭДС индукции в катушке колебательного контура, и в колебательном контуре возникнет индукционный ток. Используя правило Ленца, нетрудно убедиться, что этот индукционный ток направлен таким образом, что положительным зарядом, а, следовательно, и положительным потенциалом заряжается верхняя пластина конденсатора, в то время как нижняя пластина заряжается отрицательно. При этом растёт потенциал сетки (такой ж как и на верхней пластине конденсатора). Это приводит к дальнейшему росту анодного тока.

Читайте также:  Сварочные преобразователи с коллекторными генераторами

Когда анодный ток достигнет насыщения, конденсатор окажется максимально заряженным, магнитный поток в сердечнике достиг максимального значения, ЭДС индукции стала равным нулю. Теперь заряженный конденсатор начинает разряжаться на катушку индуктивности, и ток в контуре поменяет направление. Это приводит к уменьшению потенциала сетки, а, следовательно, к уменьшению анодного тока и величины магнитного потока в сердечнике. В этом случае индукционный ток поменяет своё направление, которое теперь совпадает с направлением тока разрядки конденсатора. Когда конденсатор полностью разрядится, ток в контуре достигнет максимального значения и начнёт уменьшаться. Потенциал сетки становится отрицательным и убывает до значения запирающего напряжения на сетке. Ток в контуре и анодной цепи убывает и достигает нуля в тот момент, когда триод заперт. При этом конденсатор оказывается заряженным, но при этом заряд и потенциал его пластин поменяли знаки.

Теперь конденсатор контура начнёт разряжаться на катушку индуктивности, ток в контуре будет возрастать, а вместе с ним возрастёт потенциал сетки, что приведёт к увеличению анодного тока и возникновению в контуре индукционного тока, по направлению совпадающего с током разрядки конденсатора.

Далее все описанные выше процессы будут периодически повторяться. Тепловые потери в контуре на активном сопротивлении катушки индуктивности компенсируются индукционными токами, возникающими в контуре при изменении анодного тока за счёт энергии анодной батареи.

Итак, колебания в колебательном контуре возбуждаются и поддерживаются периодически меняющимся по величине анодным током. Изменение анодного тока в свою очередь управляет колебаниями в колебательном контуре через периодически меняющийся потенциал сетки триода.

Из всего вышесказанного следует, что колебания тока и напряжения в колебательном контуре, а также изменение анодного тока происходят с одинаковой частотой, собственной частотой колебательного контура и равной

На рис.35 изображено графическое представление работы триода с помощью его динамической сеточной характеристики.

Здесь напряжение на сетке, равное напряжению на конденсаторе колебательного контура меняется как показано на рис, где ось времени вертикальна и направлена вниз. Справа показан примерный характер зависимости анодного тока от времени. Так работает генератор незатухающих колебаний по схеме с колебательным контуром в цепи сетки.

Применяется также схема генератора с колебательным контуром в цепи анода. Здесь колебательный контур и катушка обратной связи меняются местами.

Принцип действия такого генератора аналогичен принципу действия генератора по схеме с колебательным контуром в цепи сетки.

Следует заметить, что направление обмоток катушек контура и обратной связи должно быть одинаковое. Если же оно будет встречным, то в момент замыкания ключа К индукционный ток будет такого направления, при котором потенциал сетки будет отрицательным, что скомпенсирует рост тока в момент замыкания. Индукционного тока в контуре не возникнет и генерации не будет.

Глава II. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Генератор незатухающих электромагнитных колебаний вынужденные электрические колебания

2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

4. Электромагнитные колебания и волны

УРОК 9/51

Тема. Генератор незатухаючих электромагнитных колебаний

Цель урока: ознакомить учащихся с одним из способов образования незатухаючих электромагнитных колебаний.

Тип урока: комбинированный урок.

1. Принцип действия трансформатора.

2. Холостой ход трансформатора.

3. Работа трансформатора под нагрузкой .

Незатухающие электромагнитные колебания в генераторе на транзисторе .

Изучение нового материала

1. Незатухающие колебания.

2. Автоколебательные системы.

3. Генератор на транзисторе .

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи .

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Реальный колебательный контур оказывает определенное сопротивление электрическому току. Поэтому часть переданной энергии контура непрерывно превращается во внутреннюю энергию проводов, рассеивается в окружающем пространстве. Чем больше сопротивление контура, тем быстрее затухают колебания. Если сопротивление контура очень большой, колебания вообще могут и не возникнуть — конденсатор разрядится, а перезарядки не произойдет.

Читайте также:  Подключение мотора лодочного с генератором

Чтобы колебания не затухали, необходимо пополнять энергию контура, заряжая конденсатор от источника постоянного тока. Но если источник будет все время подключен к конденсатору, то конденсатор только будет обмениваться энергией с источником. Чтобы этого не происходило, контур может быть подключен к источнику только в те моменты, когда обкладка конденсатора, подключена к положительному полюсу источника тока, заряжена положительно. Во время колебаний знак заряда на обкладках периодически меняется, значит, ключ должен замыкать и размыкать круг с частотой, равной частоте электромагнитных колебаний контура, то есть несколько миллионов в секунду. Запирать с такой частотой механический ключ нельзя, поэтому в радиотехнике используют транзистор.

Очевидно, что для заполнения уменьшение энергии в колебательной системе необходимо иметь источник, с помощью которого пополнялась бы ее энергия. При этом важно выполнить два условия:

1) энергия, поступающая от источника в колебательную систему за период, должно точно равняться энергии, что за это время необратимо преобразуется в другие виды энергии;

2) энергия должна поступать в колебательную систему в такт, т.е. согласованно по фазе со свободными колебаниями, которые происходят в системе.

Ø Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы, называются автоколивальними.

Ø Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Любая автоколивальна система состоит из четырех элементов:

1) источники энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения);

2) клапана — устройства, регулирующего поступление энергии от источника в колебательную систему (в генераторе роль клапана играет транзистор);

3) колебательной системы, то есть той части автоколивальної системы, в которой непосредственно происходят колебания в генераторе на транзисторе это колебательный контур);

4) устройства, что обеспечивает обратную связь, с помощью которого колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе это индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

3. Генератор на транзисторе

Рассмотрим одну из самых распространенных автоколебательных систем — генератор на транзисторе.

Источником энергии является источник тока, а колебательной системой — колебательный контур. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, в генераторе есть транзистор.

А кто же управляет работой самого транзистора? Откуда транзистор «может знать», когда нужно замыкать или размыкать круг? Лучший вариант, если работой транзистора будут управлять колебания в контуре, тогда энергия от источника тока будет поступать в контур, когда это нужно. Иначе говоря, необходимо обеспечить обратную связь в системе. Такой обратную связь можно сделать, например, индуктивным: если между эмиттером и базой транзистора включить катушку L 3 B , на которую будет действовать магнитное поле катушки контура, то напряжение между эмиттером и базой будет меняться в такт с колебаниями в контуре. Поэтому транзистор «откроет» круг в течение определенной части периода колебаний.

Существует много типов электрических автоколебательных систем. Без них нельзя даже представить системы связи, радиолокация, компьютеры и др.

1 — источники постоянного тока;

3 — колебательный контур;

4 — катушка, что обеспечивает обратную связь

1. Опишите свойства p — n -перехода в полупроводниках.

2. Какую роль в генераторе незатухаючих электромагнитных колебаний играет транзистор?

3. Приведите примеры автоколебательных систем.

1. Как устроен транзистор?

2. В чем заключается отличие автоколебаний от вынужденных колебаний и от свободных?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. От чего зависит частота колебаний, возникающих в генераторе на транзисторе? амплитуда этих колебаний?

2. Чему равна частота электромагнитных колебаний, происходящих в генераторе?

2 ) . Учимся решать задачи

Емкость конденсатора колебательного контура 0,01 мкФ. Конденсатор зарядили до напряжения 40 В и соединили с катушкой индуктивности. В контуре возникли затухающие колебания. Какое количество теплоты выделилось за время полного затухания колебаний?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы, называются автоколивальними.

• Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

• Любая автоколивальна система состоит из четырех элементов: 1) источника энергии; 2) клапана; 3) колебательной системы; 4) устройства, что обеспечивает обратную связь.

Источник