Автогенераторы

К автогенераторам относятся устройства, которые преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный ток или напряжение определенной частоты и формы.

В большинстве случаев для автогенераторов не требуется внешнего возбуждающего воздействия, а формирование переменного напряжения или тока проходит за счет внутренних процессов.

Если на выходе генератора формируется напряжение или ток по форме близкой к синусоидальной, то они относятся к автогенераторам гармонических колебаний. Если форма выходного напряжения близка к прямоугольной, пилообразной и т.п., то такие устройства относятся к генераторам релаксационных или разрывных колебаний.

На рисунке 1 приведена блок-схема автогенератора, где он представлен в виде замкнутой системы с положительной обратной связью.

Рис.1 Блок-схема автогенератора

Блок-Схема состоит из следующих блоков:

1 блок – усилитель, восполняющий потери энергии в избирательной цепи и цепи обратной связи;

2 блок – избирательная цепь (в RС-автогенераторах фазирующая или частотозадающая), эта цепь определяет частоту, на которой будет работать автогенератор;

3 блок – цепь положительной обратной связи, которая принципиально необходима в автогенераторах.

Иногда в автогенераторах используют и цепь отрицательной обратной связи с целью улучшения характеристик и параметров автогенератора.

В реальных автогенераторах могут объединяться блоки 1 и 2, в этом случае будет реализован избирательный усилитель, с цепью положительной обратной связи (например, автогенератор LC). Также могут объединяться блоки 2 и 3, в случае если введена частотозависимая избирательная цепь положительной обратной связи, которой охвачен усилитель (например, в автогенераторах RS).

Для возникновения и существования колебаний в замкнутой системе необходимо выполнение двух условий самовозбуждения:

1. Баланс амплитуд:

2. Баланс фаз: , где n = 0, 1,2,….

При этом баланс амплитуд требует, чтобы общий коэффициент передачи по замкнутой петле обратной связи был больше единицы для возникновения и нарастания амплитуды колебаний и равен единице для установившегося режима.

Условие баланса фаз требует, чтобы суммарный фазовый сдвиг по замкнутой петле обратной связи был равен нулю градусов или был кратным , и т.о. система охвачена положительной обратной связью.

Избирательные и фазирующие цепи.

Избирательные цепи LС

В качестве избирательных LC-цепей используют последовательные и параллельные LC-контуры. Последовательные LC - контуры приведены на рисунке 2, параллельные LC – контуры на рисунке 3.

Рис. 2 Последовательная Рисунок 3. Параллельная LC-цепь LC-цепь

У последовательного колебательного контура наблюдается резонанс напряжений, на частоте резонанса его сопротивление минимальное. У параллельного контура резонанс токов, что обеспечивает максимальное возможное значение его общего сопротивления на частоте резонанса.

Т.к. параллельные колебательные контуры получили наиболее широкое распространение, поэтому будем рассматривать только эти контуры.

На рисунке 4 приведена зависимость сопротивления параллельного контура от частоты, а также ФЧХ этого контура

Рис. 4 АЧХ и ФЧХ параллельного избирательного контура

На частоте резонанса сопротивление контура носит активный характер (R), при характер сопротивления меняется на индуктивный (L), на высоких частотах (он начинает принимать емкостной характер (С).

Для параллельного (и последовательного) LC – контура частота резонанса определяется следующим образом:

(1)

Размерность определяется в виде .

На значения резонансной частоты оказывают влияния потери, имеющиеся в контуре, а частности активное сопротивление катушки. После полного анализа резонансная частота в контуре определяется в виде:, где является коэффициентом затухания контура, определяющим скорость затухания амплитуды свободных колебаний, при воздействии на контур единичного скачка тока.

Максимальное значение сопротивления контура на резонансной частоте определяется в виде:

(2)

Где – волновое сопротивление контура.

Одним из важных качественных показателей контура является его добротность, который определяется элементами контура:

(3)

Учитывая выражение добротности, можно получить еще дополнительную формулу, для определения сопротивления резонансного контура на резонансной частоте:

(4)

Реальное значения Q достигает порядка 100÷200. Для повышения добротности контура, необходимо увеличивать значение индуктивности контура и уменьшать значения емкости конденсатора и сопротивление потерь .

Избирательные фазирующие цепи RС.

Цепь Вина.

Наиболее распространенной избирательной RС – цепью является цепь Вина. Схема цепи Вина приведена на рисунке 5

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема цепи Вина

Обычно элементы выбираются попарно-равными, что позволяет легко перестраивать частоту настройки.

Частота квазирезонанса для данной схемы определяется: (5)

Коэффициент передачи цепи определяется в виде:

(6)

Где

подставив значения в исходное выражение получим:

(7)

Коэффициент передачи будет иметь максимальное значение, когда действительная часть выражения в знаменателе обращается в нуль, т.е. выполняется условие

При этом коэффициент передачи будет носить действительный характер

Фазовый сдвиг на частоте резонанса равен , т.к. в последнем выражении мнимая часть отсутствует.

На рисунке 6 приведена АЧХ и ФЧХ для цепи Вина

Рис. 6 АЧХ и ФЧХ цепи Вина

Цепи Вина применяется в автогенераторах, но из-за низкой добротности пропускает достаточно хорошо высшие гармоники. Для обеспечения малого значения коэффициента нелинейных искажений в реальных автогенераторах на основе цепи Вина приходится вводить отрицательную нелинейную обратную связь.

Трехзвенные RC (и CR) цепи

В RC – автогенераторах в качестве частотно-избирательных цепей используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. Как правило, в качестве трехфазных RC-цепей используются трехфазные фильтры высоких частот (ФВЧ), схема приведена на рисунке 7б или трехфазные фильтры низких частот (ФНЧ), схема приведена на рисунке 7а.

Максимальный фазовый сдвиг, вносимый одним звеном ФВЧ на частоте близкой к 0 стремится к 90, для получения сдвига в 180RC цепь должна иметь не менее трех последовательно включенных звеньев, при этом еще сохраняется приемлемый коэффициент передачи самого ФВЧ.

Рис. 7а ФНЧ

Рис. 7б ФВЧ

Обычно в RC генераторах R1=R2=R3 и С1=С2=С3. При этом для трехфазного фильтра ФВЧ частота может быть определена как: (8)

Для трехфазного ФНЧ:

(9)

Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристика трехфазного ФВЧ приведена на рисунке 8, а трехфазного ФНЧ на рисунке 9.

Рис. 8 АЧХ и ФЧХ для ФВЧ

Рис. 9 АЧХ и ФЧХ для ФНЧ

Снижение затухания в цепях ПОС и улучшение других параметров генератора можно достичь за счет использования так называемых прогрессивных цепочек. В таких цепочках используют резисторы, номиналы которых для каждого последующего звена берутся в n раз больше, чем в предыдущем звене, и конденсаторы, номиналы которых, наоборот уменьшаются для каждого последующего звена в n раз.

ФНЧ для получения заданной требуется применить R и С больших номиналов (по сравнению с ФВЧ) со всеми вытекающими последствиями.

Автогенераторы LC-типа

Рассмотрим процессы возникновения, нарастания и стабилизации колебаний у автогенератора LC-типа, схема, которой приведена на рисунке 10.

Рис. 10 Принципиальная электрическая схема автогенератора LC-типа.

Основной автогенератора является избирательный (резонансный) усилитель, в котором с помощью трансформатора (L-Lос) создана ПОС, напряжение с которой поступает на вход усилителя.

Условия баланса фаз и амплитуд здесь обеспечиваются для резонансной частоты . При подключении источника питания Ек в цепях усилителя начинает течь ток и действовать напряжение. В результате в LC-контуре возникают синусоидальные колебания с частотой , которые поддерживаются с помощью ПОС в устройстве. Частота генерации и резонансная частота определяются резонансной частотой контура: . (10)

Если частота колебаний отклонится от значения то сопротивление контура перестанет быть активным и приобретет реактивный (индуктивный и емкостной) характер, что вносит дополнительный фазовый сдвиг, и условие баланса фаз перестает выполняться. Кроме того, отклонение частоты резонансной приводит к снижению Кус, и условие баланса амплитуд тоже может быть нарушено.

Т.о., генерация автоколебаний в рассматриваемом устройстве осуществляется на частоте (или близкой к ней)

Усилительный каскад с ОЭ инвертирует сигнал (т.е. Uвх и Uвых по отношению друг к другу повернуты на 180), поэтому для выполнения условий баланса фаз трансформаторная ОС должна осуществлять поворот фазы сигнала на 180. Если обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, то необходимо вторичную обмотку (Lос) включить встречно по отношению к первичной (см. рис 10). Точки около выводов обмоток указывают на синфазность напряжения на них. Обычно первичная обмотка, является индуктивностью контура, состоит из большого числа витков, чем вторичная для обеспечения равенства амплитуд Uос и Uвх.

Следует отметить, что при включении источника питания в цепь коллектора через контур начнет протекать ток. Несмотря на то, что питание осуществляется от источника постоянного напряжения, реальный ток, проходящий через контур, не остается постоянным, у него имеется переменная составляющая, амплитуда которой может иметь малое значение, но она присутствует. Это явление обусловлено шумовыми свойствами транзистора, а также флуктуационными изменениями значений резисторов, конденсаторов, индуктивностей, использованных в схеме.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, спектр этой составляющей очень широкий, в нем присутствуют практически все частоты от 0 до , в том числе и та частота, на которую настроен контур. При достаточно высокой добротности контур широкого спектра частоты выделяет сигнал с частотой, равной его резонансной, что и соответствует первому этапу, а именно этапу возникновения колебаний.

Переменное напряжение, появившегося на контуре, трансформируется в обмотку ОС и поступает на вход усилителя, усиливается последним, а также выделяется на контуре. Т.К. суммарный фазовый сдвиг по замкнутой петле ПОС равен 0, то усиленный сигнал в контуре окажется в фазе с первоначальным сигналом, они суммируются и общая амплитуда возрастет. Возросшая амплитуда колебаний снова трансформируется в Lос, поступает на вход усилителя, усиливается, выделяется на контуре и опять суммируется с тем сигналом, который там имеется, что приводит к дальнейшему увеличению амплитуды колебаний и т.д. Т.е. система сама начинает себя «раскачивать», причем с той частотой, на которую настроен контур, т.к. только на этой частоте максимальный коэффициент усиления и наиболее благоприятнее условие для суммирования. Т.о. в системе наблюдается второй этап, этап нарастания амплитуды колебаний, как это показано на рисунке 11, и участок обозначен цифрой 1.

Амплитуда колебаний переменного напряжения нарастает, но не до бесконечности, а до того момента, когда система переходит в установившийся режим, см. рис. 11.

Рис. 11 Процесс нарастания амплитуды колебаний.

По мере роста амплитуды захватывается все более широкая область раствора характеристики транзистора. А так как размах амплитуды переменного напряжения определяется источником питания, то в конечном итоге транзистор заходит в режим ограничения, где его усилительные свойства резко падают и дальнейший рост амплитуды прекращается. Т.е. система переходит в установившийся режим, где амплитуда колебаний становится постоянной.

Работа транзистора в нелинейной области, т.е. в режиме ограничения может привести к искажению формы выходного сигнала, обусловленному наличием высших гармоник. Но применение высокодобротного контура позволяет отфильтровать высшие гармоники, поэтому выходной сигнал имеет практически синусоидальную форму.

Автогенератор RC-типа

В RC-генераторах в качестве частотоизбирательных (фазирующих) цепей, используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. В генераторах могут использоваться усилительные каскады, инвертирующие и не инвертирующие сигналы. В первом случае RC-цепь обратной связи должна обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на 180, а во втором – ее фазовый сдвиг должен быть равен нулю.

Все процессы, связанные с возникновением, нарастанием и установлением амплитуды колебаний в RS – генераторах принципиально не отличаются от процессов, рассмотренных выше в автогенераторах LC – типа. Рассмотрим только некоторые особенности, присущие автогенераторам RC типа, на примере автогенератора с мостом Вина, принципиальная схема которого, приведена на рисунке 12.

Рис. 12 Принципиальная электрическая схема автогенератора с мостом Вина.

Анализ цепи Вина приведен выше, поэтому известно, что частота квазирезонанса определяется по формуле:

(11)

Она же определяет и частоту, которую будет генерировать автогенератор. Коэффициент передачи на частоте квазирезонанса , фазовый сдвиг , поэтому необходимо использовать двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1 и VT2, который обеспечивает фазовый сдвиг на 360.

Т.к. Коэффициент передачи цепи Вина на частоте квазирезонанса равен , то коэффициент усиления усилителя для выполнения условия баланса амплитуд должен быть равен и больше 3. Но двухкаскадный усилитель обеспечивает значительно большой коэффициент усиления, и для его снижения усилитель дополнительно охватывают общей обратной связью (ООС) по напряжению (цепь Rсв, Rэ1, Rл) на рисунке 12. Причем ООС выполнения с использованием нелинейных инерционных элементов, в качестве которых применяют термистор или лампочку накаливания. В настоящее время для этой цепи используют другую более сложную элементную базу, но суть от этого не меняется. У применяемых элементов сопротивление зависит от значения протекающего тока. У термистора с увеличением тока сопротивление уменьшается, а у лампочки накаливания с ростом тока сопротивление возрастает.

Эти элементы являются инерционными. Если тепловая постоянная времени инерционного элемента больше периода колебаний переменного тока, который через них протекает, то они для мгновенных значений тока ведут себя как линейные элементы, а значения их сопротивлений изменяются только в зависимости от действующего значения протекающего тока. Рассмотрим, с какой целью применяется эти элементы.

Цепь Вина имеет очень слабые избирательные свойства, и если допустить, что транзисторы в усилителе заходят в режим ограничения, то появляющиеся в результате этого высшие гармонические составляющие пройдут на выход автогенератора и форма выходного напряжения будет искаженной, т.е. появятся большие нелинейные искажения, применение нелинейных элементов позволяет избежать этого явления. Предположим, что соотношение резисторов в цепи ООС с учетом сопротивлений нелинейных элементов выбрано таким образом, что обеспечивает значение коэффициента усиления усилителя с ОС, равное трем, для выполнения условия баланса амплитуд при такой амплитуде выходного напряжения, при которой транзистор работает в линейном режиме.

Допустим, что амплитуда выходного напряжения возросла, т.е. появляется возможность перехода транзистора VT2 в нелинейный режим. Но в этот же момент возрастает ток в цепи ООС и ток протекающий через лампочку. Сопротивление лампочки тоже возрастет, а так как именно на ней выделяется напряжение общей отрицательной обратной связи, увеличивается общая глубина ООС, это приведет к уменьшению коэффициента усиления усилителя, следовательно к уменьшению выходного напряжения, что позволяет транзистору перейти в нелинейный режим. Если же произошло уменьшение выходного напряжения, то амплитуда будет возрастать, т.е. наблюдается процесс стабилизации амплитуды выходного напряжения, при этом работа транзистора будет осуществляться в линейной области, нелинейные искажения выходного сигнала будут минимальными, несмотря на низкую добротность цепи Вина.

На примере автогенератора с цепью Вина хорошо показать разные типы обратных связей, применяемых в электронных схемах.

Перечислим эти связи:

1) Цепь вина образует: положительную, параллельную, общую частотозависимую, линейную обратную связь по переменному напряжению.

2) За счет Резисторов Rэ1 и Rэ2 в каскадах на транзисторах VT1 и VT2 введена отрицательная, последовательная, местная частотонезависимая, линейная обратная связь по постоянному току для стабилизации положения рабочей точки.

3) За счет элементов Rсв, Rэ1 и Rл введена отрицательная, последовательная, общая нелинейная, инерционная обратная связь по переменному напряжению, которая служит для стабилизации значения амплитуды выходного напряжения.

Стоит отметить, что цепь положительной обратной связи и цепь отрицательной обратной связи образуют мостовую схему (мост), два плеча которой образованы цепью Вина, а два других плеча образованных элементами Rсв, Rэ и Rл. Поэтому этот автогенератор называют автогенератором с мостом Вина.

Дата добавления: 2014-01-06