Генератор на транзисторе автоколебания: Генератор на транзисторе. Автоколебания — Служебный Дом

Содержание

Генератор на транзисторе. Автоколебания — Служебный Дом

1. Что такое автоколебательная система?

        Автоколебательная система — это система, в которой амплитуда колебаний поддерживается при помощи внешнего источника энергии.

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

        Отличие автоколебаний от свободных и вынужденных в том, что: 1) автоколебания не затухают; 2) Автоколебания могут иметь намного большую частоту, чем вынужденные (такие, которые вырабатывают электрогенераторы).

3. Опишите свойства p-n-перехода в полупроводниках.

        p-n-переход представляет собой элемент транзистора или другого полупроводникового прибора, состоящий из проводника p-типа и n-типа. В проводнике p-типа носителями заряда являются дырки, а в проводнике n-типа — электроны. Таким образом, p-n-переход пропускает ток только в одну сторону.

4. Как устроен транзистор?

        Транзистор состоит из трёх p- и n- проводников. Например, существуют p-n-p а также n-p-n транзисторы. На схеме различия между этими двумя типами выражаются направлением стрелки эмиттера. Принцип работы в том, что транзистор пропускает ток из эмиттера в коллектор только тогда, когда на базу подаётся напряжение определённого знака. Обратный транзистор отличается лишь тем, напряжения каких знаков подаются на электроды.

5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?

        Роль транзистора в генерации автоколебаний очень высока. Именно благодаря нему можно регулировать подачу тока от источника постоянного тока для поддержания колебаний.

6. Как осуществляется обратная связь в генераторе на транзисторе?

        Обратная связь в генераторе на транзисторе осуществляется за счёт использования дополнительной индуктивной катушки, присоединённой к цепи транзистора эмиттер-база. Таким образом, в катушке появляется индукционный ток, открывающий и закрывающий транзистор.

7. Укажите основные элементы автоколебательной системы.

        Основные элементы колебательной системы: постоянный источник энергии, колебательный контур, транзистор, обратная связь (катушка индуктивности).

8. Приведите примеры автоколебательных систем.

        В качестве примеров автоколебательных систем можно привести стиральную машину, электрический двигатель, компьютерный «бесперебойник» питания в режиме работы при отсутствии напряжения в осветительной сети (преобразует постоянный ток аккумулятора в переменный для работы компьютера).

Автоколебания генератор на транзисторе план. Затухающие электрические колебания. Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний(на транзисторе). Генераторы на полевых транзисторах

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре.

Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль «клапана» играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L св индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

При замыкании цепи через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор С колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромагнитные колебания малой амплитуды. Ток, протекающий по контурной катушке

L , индуцирует на концах катушки обратной связи переменное напряжение. Под действием этого напряжения электрическое поле эмиттерного перехода периодически то усиливается, то ослабляется, а транзистор то открывается, то запирается. В те промежутки времени, когда транзистор открыт, через него проходят импульсы тока. Если катушка L св подключена правильно (положительная обратная связь), то частота импульсов тока совпадает с частотой колебаний, возникших в контуре, и импульсы тока приходят в контур в те моменты, когда конденсатор заряжается (когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно). Поэтому импульсы тока, проходящие через транзистор, подзаряжают конденсатор и пополняют энергию контура, и колебания в контуре не затухают.

Если при положительной обратной связи медленно увеличивать расстояние между катушками

L св и L , то с помощью осциллографа можно обнаружить, что амплитуда автоколебаний уменьшается, и автоколебания могут прекратиться. Это значит, что при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур, меньше энергии, необратимо преобразуемой во внутреннюю. Таким образом, обратная связь должна быть такой, чтобы: 1) напряжение на эмиттерном переходе изменялось синфазно с напряжением на конденсаторе контура — это фазовое условие самовозбуждения генератора; 2) обратная связь обеспечивала бы поступление в контур столько энергии, сколько ее необходимо для компенсации потерь энергии в контуре — это амплитудное условие самовозбуждения.

Частота автоколебаний равна частоте свободных колебаний в контуре и зависит от его параметров.

Уменьшая L и С , можно получить высокочастотные незатухающие колебания, используемые в радиотехнике.

Амплитуда установившихся автоколебаний, как показывает опыт, не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы — напряжением источника, расстоянием между

L св и L , сопротивлением контура.

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 394-395.

Автоколеба́ния — незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия. Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы. Термин автоколебания в русскоязычную терминологию введён А. А. Андроновым в 1928 году.

Примерами автоколебаний могут служить: незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка; возникновение переменного тока в цепях мультивибратора и в других электронных генераторах при постоянном напряжении питания; колебание воздушного столба в трубе орга́на, при равномерной подаче воздуха в неё; вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной (опыт Гамазкова)

а) энергия от источника должна поступать в такт с колебаниями в контуре; б) поступающая от источника энергия должна быть равна ее потерям в контуре.

Слайд 11

Работа генератора на транзисторе

1.Чтобы в цепи возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе «-» относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена «+», а нижняя – «-». Это соответствует замкнутому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно переодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в контуре. 3. Необходима обратная связь.

Работа генератора на транзисторе. 1.Чтобы в цепи возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе «-» относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена «+», а нижняя – «-». Это соответствует замкнутому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно переодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в контуре.

3. Необходима обратная связь.

Слайд 11 из презентации «Автоколебания» к урокам физики на тему «Виды колебаний»

Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке физики, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как…». Скачать всю презентацию «Автоколебания.pptx» можно в zip-архиве размером 136 КБ.

Скачать презентацию

Виды колебаний

«Затухающие колебания» — Следовательно движение носит апериодический (непериодический) характер – выведенная из поло- жения равновесия система возвращается в положение равновесия, не совершая колебаний. перестает быть периодическим. Тема: Затухающие колебания. Свободные затухающие колебания в электрическом колебательном контуре; 26.27.

«Автоколебания» — Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний. Термин автоколебания в русскоязычную терминологию введён А. Часы как автоколебательная система. Автоколебания — незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.

«Физика «Гармонические колебания»» — Коэффициент затухания. Движение от некоторой начальной точки до возвращения в ту же точку. Затухающие колебания представляют собой непериодические колебания. Заряд на обкладке конденсатора. Максимальные значения. Затухание принято характеризовать логарифмическим декрементом. Другой тип резонанса. Уравнение затухающих колебаний в контуре.

«Гармонические колебания и маятники» — Свободные колебания. Маятник. Процессы. Разделим уравнение. Периодическое колебательное движение. Понятие вращающегося вектора. Энергия гармонического колебательного движения. Маятники. Печень. Колебательная система. Материальная точка. Гармоническое колебание с начальной фазой. Ускорение при гармонических колебаниях.

«Гармонические колебания» — Вращающийся вектор амплитуды полностью характеризует гармоническое колебание. 3. Разность фаз изменяется во времени произвольным образом. Амплитуда А результирующего колебания зависит от разности начальных фаз. По правилу сложения векторов найдем суммарную амплитуду, результирующего колебания: Такие колебания называются линейно поляризованными.

Накануне первой мировой войны Россия в научном отношении значительно отставала от передовых капиталистических стран. В частности, в России не было радиотехнической промышленности. Всё оборудование для радиосвязи приходилось ввозить из-за границы, а после революции этот источник был практически закрыт. В этих условиях советские ученые Крылов, Мандельштам, Папалекси, Андронов провели столь глубокие исследования по проблемам вынужденных колебаний, что намного опередили своих западных коллег, так что мировой научный центр по этим проблемам переместился в СССР.

При свободных колебаниях энергия системы уменьшается. В связи с этим стали широко применяться автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия. Например, под стальной гирей, висящей на пружине, располагается электромагнит. Если будут попеременно включать и выключать ток, то гиря начнет совершать вынужденные колебания. Попробуйте-ка объяснить, что будет происходить дальше?..

А теперь постарайтесь привести примеры автоколебаний…

  1. незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири;
  2. колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка;
  3. колебание воздушного столба в трубе органа, при равномерной подаче воздуха в неё;
  4. вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной
  5. образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;
  6. голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки.

Наиболее распространённой механической автоколебательной системой являются маятниковые часы. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его главных чертах сохранилось до настоящего времени: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо. Обратите внимание, что, в основном, маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями. Для многих автоколебательных систем характерны основные элементы: собственно колебательная система, источник энергии, «клапан» (регулирует поступление энергии в колебательную систему).

Используя метод аналогий, перейдём от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе, которая генерирует электромагнитные колебания. Что можно использовать в качестве источника энергии (источник тока), клапана (транзистор), колебательной системы в электрической цепи (автогенератор)?.. Как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой?..(работа с учебником)

Принцип работы генератора на транзисторе (флеш-рисунок «Генератор на транзисторе» )

В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.

Наблюдение изменения формы осциллограммы от частоты и амплитуды колебаний

Предлагаю вам совершить небольшое исследование электромагнитных колебаний звуковой частоты. Что нам для этого понадобиться?.. Звуковой генератор и осциллограф! Но не простые, а… виртуальные! Поэтому нужна ещё пара компьютеров для ваших мини-лабораторий.

Делимся на 2 группы для изучения зависимости формы колебаний от их 1) частоты и 2) амплитуды.

А так как мы будем работать со звуковым генератором, то напомните мне, пожалуйста, диапазон слышимых звуковых частот?. . (флеш-рисунок «Диапазоны звуковых частот» )

1 группа будет работать в акустическом (слышимом) диапазоне звуковых частот.

Для 2 группы ограничений в диапазоне амплитуд нет.

За работу!..

Результаты наблюдений зависимости формы колебаний от их частоты:

Ребята, посмотрите, какая у нас получилась необычная картинная галерея! Теперь звуком могут наслаждаться не только наши органы слуха, но и зрения! И не будут казаться странными следующие слова: «Ты ещё не видел новую мелодию? Смотри, какая красивая!»

Мы в нашем мини-исследовании применили звуковой генератор. Что нам известно про него?.. Какие ещё бывают генераторы?..

«Физика — 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником 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?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре 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.
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. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

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.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный.
При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.
Это соответствует разомкнутому ключу.

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 пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

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.

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 обратная связь .

Здесь обратная связь — индуктивная
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью L CB , 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, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.


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 — транзистор).

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

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: 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.

Конспект урока по Физике «Генератор на транзисторе. Автоколебания» 11 класс

Тема урока: «Генератор на транзисторе. Автоколебания»

План – конспект урока по физике, подготовила Мызникова Елена Викторовна, учитель физики МБОУ гимназия №64 , 11 класс.

Тип урока: Урок изложения нового материала.

Цели урока:

Образовательные:

  1. Сформировать понятие автоколебаний, рассмотреть принцип действия генератора незатухающих колебаний на транзисторе.

  2. Продолжить формирование знаний по физическим основам получения переменного тока.

Развивающие:

  1. Развивать практические умения учащихся: умение анализировать, обобщать, выделять главную мысль из рассказа учителя и делать выводы.

  2. Развивать умение применять полученные знания в новых условиях.

Воспитывающие:

  1. Расширить мировоззрение учащихся об истории исследования по проблемам вынужденных колебаний, вкладе ученых в становление теории автоколебаний.

  2. Отрабатывать навыки учебного труда по ведению конспекта материала.

Оборудование: компьютер, рабочие листы для учащихся, тест.

Демонстрации: презентация по теме, катушка индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58, батарея напряжением 4,5В, комплект универсального трансформатора, электронный осциллограф ОЭШ.

Структура урока:

1. Организационный момент, актуализация знаний, необходимых для усвоения нового материала

2. Сообщение темы и цели урока, мотивация учебной деятельности (через создание проблемной ситуации и выявление личного опыта учащихся по теме урока)

3. Изучение нового материала, демонстрационный эксперимент.

4. Проверка понимания учащимися изученного материала и его первичное закрепление.

5. Рефлексия домашнее задание.

План – конспект:

Структура урока,

время этапа

Деятельность учителя

Деятельность обучающихся

Мультимедиа компонент

и методическое обоснование

1. Орг. момент, актуализация знаний, необходимых для усвоения нового материала

5мин

Вопросы учащимся:

1.Какие вещества называют полупроводниками?

2. Что такое транзистор?

3. Из каких основных элементов он состоит?

4. Назовите основные носители базы, эмиттера, коллектора.

5. Действие транзистора. Условное изображение на схеме.

6. Колебания. Виды колебаний.

7.Почему колебания затухают с течением времени?

Обучающиеся дают ответы на вопросы.

1.Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями

удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной

электропроводностью металлов и хороших диэлектриков

2. Транзистор — усилитель электрических колебаний.3.Состоит из трёх областей, крайние из которых обладают дырочной проводимостью, а средняя — электронной: эмиттер, коллектор, база.

4. База — электроны, коллектор и эмиттер- дырки. 5. Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее количество примеси р-типа, чем количество n-примеси в n-области. Поэтому прямой ток через р—n-переход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n—р-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не слишком много, то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую р-область.

Слайд №1

Презентации

Актуализация опорных знаний.

2. Сообщение темы

и цели урока, мотивация учебной деятельности

5 мин

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Сегодня на уроке нам предстоит решить проблему: нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре для того, чтобы они были незатухающими. Как это можно сделать? Основываясь на своих знаниях, предложите способы решения данной проблемы. На это отводится 2 минуты. Работа в парах. Учитель корректирует и рецензирует результаты.

(После выполнения задания учитель обобщает предложенные результаты, обсуждая и комментируя каждый вариант)

Вывод: Можно использовать автоколебания. Формулируется тема и цель урока (для учащихся).

Учащиеся изучают предложенные им идеи и создают несколько вариантов комбинаций. По истечению времени  оглашают свой вариант, единомышленники со сходным результатом могут присоединиться, или отредактировать предложенную версию. Все версии оформляются на доске для всеобщего рассмотрения.

Мотивационный компонент.

Эмоциональный настрой.

2 и 3 слайды

3. Изучение нового материала, демонстрационный эксперимент, исторический экскурс

25 мин

Накануне первой мировой войны Россия в научном отношении значительно отставала от передовых капиталистических стран. В частности, в России не было радиотехнической промышленности. Всё оборудование для радиосвязи приходилось ввозить из-за границы, а после революции этот источник был практически закрыт. В этих условиях советские ученые Крылов, Мандельштам, Папалекси, Андронов провели столь глубокие исследования по проблемам вынужденных колебаний, что намного опередили своих западных коллег, так что мировой научный центр по этим проблемам переместился в СССР.

4 слайд Мотивационный компонент.

Эмоциональный настрой.

При свободных колебаниях энергия системы уменьшается. Вопросы учащимся:

1.Почему? Ещё раз обобщим то, что мы уже сказали, обсуждая проблему, поставленную на уроке. 2.Как получить незатухающие колебания? 3. Каким условиям должен удовлетворять этот источник?

1.Вследствие необратимых потерь, колебания затухают. 2. Надо иметь посторонний источник энергии. 3. Поступление энергии за период в колебательную систему должно быть точно равно её убыли из системы и внешняя сила должна действовать в «такт» с собственными колебаниями.

5 слайд Получение новых знаний

Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия. К примеру, под стальной гирей, висящей на пружине, располагается электромагнит. Если будут попеременно включать и выключать ток, то гиря начнет совершать вынужденные колебания. Попробуйте объяснить, что будет происходить дальше.

Дальше можно сделать так, чтобы гиря, колеблющаяся вверх-вниз, сама замыкала и размыкала цепь. Средний провод зажат прищепкой так, что касается гири, пока она вверху. Ток, проходя через пружину, гирю, средний провод и катушку, намагничивает ее сердечник. Гиря сделана из стали, поэтому она притягивается к сердечнику, то есть движется вниз. Вскоре она отсоединяется от среднего провода, ток прекращается, и магнитное поле исчезает. Под действием пружины гиря поднимется вверх и снова замыкает цепь.

Таким образом, будут проходить автоколебания.

6 слайд Получение новых знаний.

Приведем примеры автоколебаний:

  • незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири;

  • колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка;

  • колебание воздушного столба в трубе органа, при равномерной подаче воздуха в неё;

  • вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной

  • образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;

  • голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки.

7 слайд

Получение новых знаний. Использование межпредметных связей.

Вопросы учащимся:

Вспомните то общее, что присуще таким колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники, колебательный контур.

Примером механической автоколебательной системы являются маятниковые часы, модель которых изображена на слайде. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его главных чертах сохранилось до настоящего времени: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо. Обращаю внимание учащихся на то, что в основном маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями.

В них могут возникать свободные колебания, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализированных системах они являются незатухающими, гармоническими. В этом случае их частота определяется свойствами самой системы, а амплитуда зависит от начальных условий.

Учащимся предлагают самим определить, какой вид колебаний имеет здесь место, назвать основные части этой колебательной системы: маятник (колебательная система), поднятая гиря (источник энергии), храповое колесо с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энергии от источника в систему).

8 слайд Получение новых знаний.

Подготовить учащихся к рассмотрению электромагнитных автоколебаний. Демонстрация работы маятника в часах

Вопросы учащимся:

Попробуйте, опираясь на слайд презентации объяснить работу электрического звонка, как примера автоколебательной системы

Когда электрическая цепь замкнута, электромагнит притягивает железную деталь с молоточком, ударяющим по звонку, и разрывает цепь. После этого система возвращается в исходное положение, и процесс повторяется.

9 слайд

Получение новых знаний.

Анализируя работу данного механизма, необходимо выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем и объединить их в блок-схему

Учащиеся участвуют в обсуждении, делают выводы.

10 слайд

Используя метод аналогий, переходим от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе. Анализируем, что можно использовать в качестве источника энергии, клапана, колебательной системы в электрической цепи и как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой.

11 слайд

Объяснение принципа работы генератора на транзисторе.

В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.

12 слайд

Показать колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58. В качестве источника энергии служит батарея напряжением 4,5 В, роль «клапана» играет транзистор, в качестве обратной связи используют катушку от универсального трансформатора (на 12 В), концы которой соединяют с базой и эмиттером транзистора. Колебательный контур включен в цепь коллектора. Катушку контура и катушку обратной связи размещают на общем магнитопроводе из того же комплекта универсального трансформатора. Напряжение с контура подают на электронный осциллограф ОЭШ.

Изменить электроемкость батареи и наблюдают изменение частоты колебаний генератора. Изменить индуктивность катушки (например, медленно поднимая ее по магнитопроводу), наблюдают тот же эффект.

Амплитуда колебаний также зависит от самой системы. Можно продемонстрировать эту зависимость, включив последовательно в цепь контура переменное сопротивление: амплитуда колебаний генератора уменьшится.

Объяснить, что при замыкании ключа через транзистор от источника энергии проходит импульс тока, которым заряжается конденсатор контура. В контуре при разрядке конденсатора возникают свободные затухающие колебания.

Роль катушки обратной связи иллюстрируют на опыте: поменяв местами провода, идущие к катушке обратной связи, убеждаются в отсутствии, колебаний в контуре генератора. Восстановив прежнюю схему, можно увидеть, что генератор вновь работает. Делают вывод: пульсирующий ток в коллекторной цепи увеличивает или уменьшает силу тока в контуре в зависимости от того, в какие моменты открывается транзистор (а транзистор открывается и закрывается той переменной ЭДС, которая наводится в катушке обратной связи). Соответственно пульсации коллекторного тока либо совпадают с изменением тока в контуре (и тем самым усиливают его), либо оказываются противоположными (и ослабляют (гасят) ток в этом контуре). Поэтому генерация колебаний возможна только при определенном подключении катушки обратной связи.

Поднимая катушку обратной связи по магнитопроводу, наблюдать на осциллограмме уменьшение амплитуды колебаний. Это объясняют тем, что связь катушки становится слабее с контуром и тем самым уменьшается наводимая в ней ЭДС. Если связь станет еще слабее, колебания в контуре затухнут, так как при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур за период, оказывается меньше потерь энергии в контуре.

Выделяют элементы установки и выясняют их роль в работе генератора.

Делают вывод: частота колебаний генератора зависит от параметров самой колебательной системы

Предложить школьникам разобраться в энергетических превращениях в демонстрируемой автоколебательной системе: чтобы колебания в контуре были незатухающими, источник напряжения должен периодически к нему подключаться, возмещая потери энергии в этом контуре. Это достигается тем, что контур индуктивно связан с участком «эмиттер — база» через катушку обратной связи

Демонстрация.

Проанализируйте, что можно использовать в качестве источника энергии, клапана, колебательной системы в электрической цепи и как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой.

Одновременно на доске и в тетрадях заполняем таблицу 1.

13 слайд

Систематизация и конкретизация ранее полученных знаний.

Завершаем изучение темы рассмотрением вопроса о применении автоколебательных систем. Примеры автоколебаний в природе и технике

  • Поток воздуха, скорость которого больше некоторой критической величины, вызывает колебания — полоскание флага на ветру

  • колебания листьев растений под действием равномерного потока воздуха;

  • образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;

  • голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки;

  • действие регулярных гейзеров и пр.

  • На автоколебаниях основан принцип действия большого количества всевозможных технических устройств и приспособлений, в том числе:

  • работа всевозможных часов как механических, так и электрических;

  • звучание всех духовых и струнно-смычковых музыкальных инструментов;

  • действие всевозможных генераторов электрических и электромагнитных колебаний, применяемых в электротехнике, радиотехнике и электронике;

  • работа поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания

  • некоторые системы автоматического регулирования работают в режиме автоколебаний, когда регулируемая величина колеблется в окрестности требуемого значения, то превышая его, то опускаясь ниже него, в допустимом для целей регулирования диапазоне (например, система терморегулирования бытового холодильника).

14 слайд

Использование межпредметных связей.

4. Проверка понимания учащимися изученного материала

и его первичное закрепление

14 мин

Итак, 1. Что такое автоколебательная система? 

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

   3. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?


4. Как осуществляется обратная связь в генераторе на транзисторе?


5. Укажите основные элементы автоколебательной системы.


6. Приведите примеры автоколебательных систем, не рассмотренных на уроке.  

Выполнение проверочного теста

  1. Какие из перечисленных колебаний относятся к автоколебаниям? 1. Колебания маятника в часах. 2. Колебания груза на пружине. 3. Биение сердца. 4. Колебания в генераторе высокой частоты. 5. Колебания струны гитары.

А. Только 1; 4. Б. Только 1; 3; 4. В. Только 1; 4.

  1. На рисунках 1 и 2 даны электрические схемы. В какой из них могут наблюдаться автоколебания?

А. Рисунок 1. Б. Рисунок 2. В. В предложенных схемах автоколебания осуществляться не могут.

  1. От каких элементов зависит частота электромагнитных колебаний высокочастотного генератора?

А. Только от емкости конденсатора. Б. От напряжения батареи, емкости конденсатора и индуктивности катушки. В. Только от емкости конденсатора и индуктивности катушки.

  1. Каково назначение катушки связи?

А. Устанавливает обратную связь между колебательным контуром и источником тока. Б. Устанавливает обратную связь между транзистором и источником тока. В. Устанавливает обратную связь между колебательным контуром и транзистором.

  1. Каково назначение транзистора в генераторе высокой частоты?

А. Регулирует частоту в колебательном контуре. Б. Регулирует поступление энергии от источника тока в колебательном контуре. В. Вырабатывает энергию.

  1. Какая запись правильно характеризует соотношение тока в транзисторе?

А. IЭ=IБ + IК. Б. IЭ = IКIБ. В. IБIк +Iэ.

  1. Какой потенциал относительно эмиттера должен быть на базе для поступления энергии от источника напряжения в колебательный контур? (На пластине конденсатора, соединенной с коллектором, положительный заряд. )

А. Отрицательный. Б. Положительный. В. Поступление энергии не зависит от .потенциала на базе.

  1. Один конец катушки обратной связи соединен с базой, второй — с:

А. Коллектором. Б. Катушкой колебательного контура. В. Эмиттером.

  1. Амплитуда установившихся колебании:

А. Зависит только от начальных условий. Б. Не зависит от параметров автоколебательной системы. В. Не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы.

  1. На рисунке 3 изображена схема генератора высокой частоты. Какой цифрой обозначен элемент, в котором происходят автоколебания?

А. 4. Б. 1. В. 2. Г. 3.

1.Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счёт поступления энергии от источника внутри системы

2. Автоколебания осуществляются в системе без воздействия внешних сил, не затухают

3.Он обеспечивает поступление энергии к колебательному контуру(выполняет функцию ключа)

4.С помощью катушки

5.Источник энергии, Устройство,

регулирующее

поступление энергии, колебательная система

6. Лазер

15 слайд

Установление обратной связи.

16-25 слайды

Тестовый контроль знаний с последующей самопроверкой

5. Рефлексия, домашнее задание

1 мин

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.

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.

Для создания нового необходимо изучить особенности имеющегося материала. Только пытливость и активный поиск двигают науку вперёд. Дерзайте, творите, фантазируйте!

Домашнее задание: «А»- конспект урока

«В»-конспект, § 36,

«С»- конспект, § 36,№ 971, 979 (Рымкевич )

26 слайд

Эмоциональный компонент.

Дифференцированное домашнее задание

Генератор на транзисторе. Автоколебания

Вынужденные колебания, которые мы рассматривали до сих пор, возникают поддействием 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. Генератор — сложный прибор, и понять принцип его работы нелегко. Автоколебательные системы. Незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения. Но возможны 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 системы, называются автоколебательными.

Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями. Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. Он содержит колебательный контур с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источник энергии и транзистор.

Как создать незатухающие колебания в контуре? Известно, что если конденсатор колебательного контура заряжен, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебания заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется, но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного — 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.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

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. 92).

Только в этом случае источник подзаряжает 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. 93). Энергия конденсатора при этом убывает.

Следовательно, источник постоянного напряжения, все время подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания. Половину периода энергия поступает в контур, а в следующую половину 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 огромным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор. Транзистор, напомним, состоит из трех различных полупроводников: эмиттера, базы и коллектора.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (это полупроводники р-типа), а база имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник л-типа). Схематическое изображение транзистора показано на рисунке 94. Работа генератора на транзисторе. Упрощенная схема генератора на транзисторе показана на рисунке 95.

Колебательный контур соединен последовательно

с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подан положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный. При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, но переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.

Это соответствует разомкнутому ключу на рисунках Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура при колебаниях, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя (рис. 95) пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно. Это соответствует замкнутому ключу на рисунке 92. 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. Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом согласовании 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 и тем самым 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 ведет к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор. Частота колебаний в контуре определяется индуктивностью L катушки контура и емкостью С конденсатора согласно формуле Томсона: При малых L и С частота колебаний велика.

Обнаружить возникновение колебаний в генераторе (возбуждение генератора) можно с помощью осциллографа, подав на его вертикально отклоняющие пластины напряжение с конденсатора. Генераторы на транзисторах широко применяются во многих радиотехнических устройствах: в радиоприемниках, передающих радио- станциях, усилителях и т.д. Широко применяются они 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. 96): 1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения). 2. Колебательная система, т. е. та часть автоколебательной системы, в которой непосредственно 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 играет транзистор). 4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе это 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 самых различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ. Э 1. Что такое автоколебательная система! 2. В чем состоит отличие автоколебаний от вынужденных и свободных колебаний! 3. Опишите свойства р—п-перехода в полупроводниках. 4. Как устроен транзистор! 5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний! 6. Как осуществляется обратная связь

4. Автоколебания. Генератор на транзисторе

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

Л

Обратная связь

юбая колебательная система состоит:

Устройство, регулирующие поступление энергии

Колебательная система

Источник энергии

Генератор на транзисторе

Колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

В генераторе колебательной системой служит контур (L и C), обладающий малым сопротивлением; источником энергии -батарея (выпрямитель), питающая напряжением транзистор; роль устройства регулирующего поступление энергии выполняет транзистор, который регулирует поступления энергии порциями от источника в колебательный контур. Для самовозбуждения колебаний служит катушка обратной связи Lсв индуктивно связанная с катушкой колебательного контура.

Вопросы для самопроверки:

  1. Какие изменения заряда, силы тока и напряжения называются электрическими колебаниями?

  2. Где происходят свободные электромагнитные колебания?

  3. Какие периодические превращения энергии происходят в колебательном контуре?

  4. Какие колебания называются гармоническими?

  5. Запишите уравнения описывающие гармонические колебания в контуре: заряда, силы тока, напряжения.

  6. Запишите обозначение и единицы измерения амплитуды и фазы колебаний.

  7. Какие системы называются автоколебательными?

  8. Из чего состоит любая автоколебательная система?

  9. Какая электрическая цепь называется колебательным контуром?

  10. Какое поле получается в соленоиде, а какое в конденсаторе?

  11. Чему равна энергия электрического поля; магнитного поля?

  12. Какие колебания называются гармоническими?

  13. Запишите чему равна частота и период колебаний в контуре.

  14. Запишите обозначение и единицы измерения частоты и периода колебаний.

  15. Какие колебания называются автоколебаниями?

  16. Что собой представляет переменный ток в контуре?

Тема: Вынужденные электрические колебания. Переменный ток и его получение. Действующие значения тока и напряжения. Мощность переменного тока. Преобразование переменного тока. Трансформатор. Передача и распределение электроэнергии.

1. Понятие вынужденных электромагнитных колебаний. Переменный ток.

Получение переменного тока – генератор.

В широком смысле электрический ток, изменяющийся со временем, называют переменным.

Рассмотрим переменный электрический ток, изменяющийся со временем по гармоническому закону.

Он представляет собой вынужденные колебания тока в электрической цепи, происходящие с частотой ω, совпадающей с частотой, вынуждающей ЭДС.

Вынужденными электромагнитными колебаниями называются незатухающие колебания заряда, силы тока разности потенциалов на обкладках конденсатора и других физических величин в колебательном контуре, вызываемые периодически изменяющейся ЭДС.

Рассмотрим замкнутый контур площадью Ś, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого равна В. Контур равномерно вращается вокруг оси ОО1 с угловой скоростью ω

Магнитный поток, пронизывающий контур, определяется формулой Ф=ВScosα. При

равномерном вращении контура угол поворота α изменяется со временем по закону α=ώt, а магнитный поток, пронизывающий контур, — по закону Ф=ВScosωt.

По закону электромагнитной индукции

Гармонически изменяющийся магнитный поток приводит к синусоидальной ЭДС индукции.

Перемененным электрическим током называется ток, изменяющийся по гармоническому закону.

Переменный электрический ток представляет собой вынужденные колебания тока в электрической цепи, происходящие с частотой ω, совпадающей с частотой вынуждающей ЭДС

, где — сдвиг фазы между колебаниями тока и ЭДС.

Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую называют генератором.

Самостоятельно: Устройство и принцип действия генератора.

Работа генератора на транзисторе, частота генерации автогенератора

Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 11 класс>> Генератор на транзисторе. Автоколебания

§ 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. 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 р-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 (эмиттерный 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.

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 Lсв, 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 и т. 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 .иегкие 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.


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.

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений : базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 17-е изд., перераб. и доп. — М. : Просвещение, 2008. — 399 с : ил.

Материалы по физике онлайн, задачи и ответы по классам, планы конспектов уроков по физике

Каталог

  • Автомобильные подъёмники
  • Оборудование для диагностики автомобилей
    • Дилерские автосканеры для диагностики легковых автомобилей
    • Автосканеры для диагностики грузовых автомобилей
    • Мультимарочные автосканеры для диагностики автомобилей LAUNCH X431
    • Диагностическое оборудование для автомобилей Российского производства
    • Диагностическое оборудование для автомобилей на базе ПК
    • Мультимарочные автосканеры для диагностики автомобилей
    • Портативные автосканеры для диагностики автомобилей (для личного пользования)
    • Автосканеры для диагностики автомобилей по протоколу ОВД-2
    • Диагностическое оборудование для автомобилей TEXA — ИТАЛИЯ
    • Мотор-тестеры и Осциллографы
    • Корректировка одометров
    • Оборудование для чип-тюнинга автомобилей
    • Оборудование для работы с иммобилайзерами автомобилей
    • Тестеры давления, компрессометры
    • Газоанализаторы и дымомеры
    • Видеоэндоскопы, термометры, стетоскопы
    • Автомобильные мультиметры, тестеры, стробоскопы
      • Автомобильный сканер и мультиметр Autel AL539
      • Дымогенератора G-Smoke
      • CT-2081 Тестер тормозной жидкости автомобильный
      • Автомобильный мультиметр AUTOBOSS
      • Astro M5 Cтробоскоп
      • Astro D5 стробоскоп для дизеля
      • ADD330 Тестер для определения коротких замыканий и обрывов цепей
      • SMC-115 тестер-имитатор сигналов датчиков
      • ADD8630 Тестер для проверки аккумуляторных батарей
      • CT-7018 Набор переходников для мультиметров
      • Двухканальная USB-приставка (мотор-тестер) «АВТОАС-ЭКСПРЕСС 2» NEW!
      • АВТОАС-ЭКСПРЕСС М — диагностика систем зажигания
      • ADD9702 Профессиональные токовые клещи
      • ADD51 Портативный автомобильный цифровой мультиметр
      • ADD3055 — Генератор сигналов ЭБУ
      • ADD7610 Пробник плавких предохранителей
      • ADD8055 Прибор для тестирования аккумуляторных батарей
      • ADD8105 Набор многофункциональных переходников
      • ADD8223 — Автомобильный тестер цепей
      • ADD107 Прокалыватель длинный
      • ADD7703 — Электронный тестер тормозной жидкости
      • ADD71 Тестер-иммитатор сигналов датчиков
      • ADD81 Автомобильный мультиметр
      • ADD91 — Профессиональный автомобильный мультиметр
      • ADD3058 — Прибор для имитации сигналов датчиков
      • ADD3068
      • ADD8103 Набор переходников для диагностики
      • ADD210 Автомобильный многофункциональный тестер цепи
      • ADD109 Прокалыватель короткий
    • Оборудование для очистки форсунок
    • Оборудование для диагностики ходовой части автомобиля
    • Дополнительное оборудование для диагностики автомобилей
    • Ремонт, обслуживание, обновление, зап. части. для автомобилей
    • Диагностика тестирование и ремонт дизельных двигателей
    • Оборудование для диагностики строительной и сельскохозяйственной техники.
    • Установка профессиональных диагностических программ BMW , HYUNDAI, PEUGEOT, RENAULT, FORD, MAZDA, и т.д…
    • Оборудование для диагностики мотоциклов ,водной техники и снегоходов.
    • Диагностическое оборудование для экскаваторов HYUNDAI
    • Эмуляторы для грузовых автомобилей
  • Покрасочные камеры для автомобилей
  • Стенды развал-схождения для автомобилей
  • Стапель. Кузовное оборудование для автомобилей
  • Шиномонтажное оборудование для автомобилей
  • Оборудование для вытяжки выхлопных газов
  • Мощностные стенды для автомобилей
  • Вулканизаторы
  • Стенды для правки дисков
  • Оборудование для заправки и обслуживания автомобильных кондиционеров
  • Компрессоры
  • Гаражные краны, прессы , домкраты, стойки.
  • Маслосменное оборудование. Оборудование для замены жидкостей в автомобильных системах.
  • Инструмент и специнструмент
  • Оборудование для мойки колёс
  • Диагностика легковых и грузовых автомобилей.Выезд специалиста.
  • Теплогенераторы , тепловые пушки, универсальные горелки, электрические тепловентиляторы.
  • СТЕНДЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕМОНТА ГРУЗОВЫХ И ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
  • Инструментальная мебель для автосервиса

Генераторы электрических сигналов

Назначение и виды генераторов.

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством которого энергия сторонних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности. Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы. Так, например, генераторы гармонических или других форм колебаний используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и др. В телевизорах генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования светящегося экрана.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др. По назначению генераторы делят на технологические, измерительные, медицинские, связные. По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт). По частоте генераторы можно разделить на следующие группы: инфранизкочастотные (менее 10Гц), низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на операционных усилителях, на туннельных диодах, или динисторах, а по типу частотно-избирательных цепей обратной связи — на генераторы LC-, RC- и ^L-типа. Кроме того, обратная связь в генераторах может быть внешней или внутренней.

Принципы построения генераторов.

Генератор является нелинейным устройством, которое преобразует, как уже сказано, энергию постоянного напряжения от источников питания в энергию колебаний. Обобщенная структурная схема генератора с внешней обратной связью приведена на рис..1. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления К, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β и цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи m.

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний

в генераторе появляются колебания и амплитуда их постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. Форма колебаний на обоих этапах показана на рис.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь положительной обратной связи. Эта цепь определяет условие возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие нелинейной отрицательной обратной связи ограничит их рост.

Поскольку на этапе возбуждения цепь отрицательной обратной связи не работает, рассмотрим более простую схему генератора, изображенную на рис.2 Цепь положительной обратной связи b обычно выполняется на пассивных элементах и потому имеет потери. Затухание сигнала в цепи обратной связи компенсируется усилением, которое обеспечивает усилитель У. Рассмотрим условия, при которых в схеме, приведенной на рис.2 а могут возникнуть колебания.

При включении питания в схеме возникают колебания, обусловленные нестационарными процессами — зарядом емкостей и индуктивностей, переходными

Рисунок 2 –Упрощенная схема генератора.

процессами в транзисторах или ОУ. Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала UBX и, пройдя усилитель, появляются на его выходе в виде сигнала Uвых=UвхK. С выхода усилителя колебания через цепь положительной обратной связи вновь поступают на вход усилителя, поэтому

Uвых(1-к β)=0, (1)

где К — комплексное значение коэффициента усиления, b — передача цепи обратной связи.

Из уравнения (1) следует, что напряжение на входе усилителя, а следовательно, и на его выходе может иметь конечное значение только при выполнении условия:

1-к β =о,

откуда находим условие возбуждения колебаний:

к β =1, (2)

где произведение к β называется петлевым усилением усилителя с обратной связью.

Условие возникновения колебаний (2) распадается на два условия, которые принято называть условиями баланса амплитуд и фаз:

к β =1, (3)

аrctg(к β) = φ β + φк=0.

Первое из условий (3) означает, что в стационарном режиме полное петлевое усиление на рабочей частоте генератора должно быть равно единице, т. е. модуль коэффициента усиления усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи звена положительной обратной связи | К| = | β -1 |. Иначе говоря, насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь обратной связи b, настолько же он должен усиливаться усилителем.

Если коэффициент усиления усилителя |K|<|b|, то колебания в схеме генератора будут затухающими, и наоборот, при |K|>|b|, колебания будут нарастающими, как показано на рис.2 б. Для точного выполнения условия баланса амплитуд в схему генератора вводится отрицательная обратная связь, посредством которой изменяется петлевое усиление. Возможны различные способы регулирования петлевого усиления: изменением коэффициента усиления усилителя, изменением коэффициента передачи цепи положительной обратной связи, изменением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи. В качестве элементов, регулирующих петлевое усиление, используются или пассивные нелинейные элементы: термисторы, варисторы, позисторы, лампы накаливания и др. или транзисторы в режиме регулируемого сопротивления.

Второе условие (3), называемое условием баланса фаз, означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2pn, где n — любое целое число. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. Если условие баланса фаз выполняется только на одной частоте, то при выполнении условия баланса амплитуд колебания будут гармоническими. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.

Кроме рассмотренных генераторов с внешней обратной связью, существуют генераторы с внутренней обратной связью, у которых положительная обратная связь обусловлена устройством используемого активного элемента. К таким элементам относятся некоторые типы полупроводниковых диодов, имеющих участок с отрицательным сопротивлением: динисторы. тиристоры, туннельные диод, а также электронные лампы с вторичной эмиссией. В таких генераторах отрицательное сопротивление активного элемента используется для компенсации положительного сопротивления потерь в пассивных элементах. Эти генераторы могут использоваться как при синусоидальной форме выходного напряжения, так и при негармонических выходных напряжениях. Для формирования гармонических напряжений в таких генераторах обычно используются различные резонансные контуры.

Генераторы гармонических сигналов.

В генераторах гармонических сигналов цепь положительной обратной связи выполняется таким образом, чтобы условие баланса фаз выполнялось на одной единственной частоте, на которой также выполняется условие баланса амплитуд.

Наиболее распространенными генераторами гармонических сигналов являются генераторы, в которых цепь положительной обратной связи выполнена на последовательных или параллельных резонансных контурах, на фазосдвигающих RC- или RL-цепях. В качестве примера рассмотрим работу генератора на полевом транзисторе с резонансным контуром в цепи стока, рис. 3 а.

Режим работы схемы генератора по постоянному току выбираемся с помощью двух источников питания: источника питания стока Ес и источника смещения затвора Е.,. В схеме использован параллельный колебательный контур, сопротивление учитывает потери на элементах контура катушке и емкости. Усилитель генератора выполнен па полевом транзисторе с управляемой обратной связью:

Следует отметить еще одну особенность трансформаторной обратной связи. используемой в схеме генератора, приведенной на рис. 3 а. Однополярные концы обмоток трансформатора для возбуждения генератора должны быть включены таким образом, чтобы любое возмущение колебательной системы приводило к появлению сигнала обратной связи, который, складываясь с начальным возмущением, увеличивал бы его. Учитывая, что транзистор изменяет полярность сигнала на противоположную, трансформатор также должен изменять полярность сигнала, с тем, чтобы полный сдвиг фазы составил 2л.

Трехточечные генераторы.

Кроме генераторов с трансформаторной связью широко применяются схемы, получившие название трехточечных. В этих схемах учтены два основных положения, которые были установлены ранее: 1) для выполнения условия баланса фаз напряжения, действующие на затворе (или базе) и стоке (или коллекторе), должны быть в противофазе; 2) для выполнения баланса амплитуд к затвору (или базе) подводится только часть напряжения па контуре. Упрощенные схемы трехточечных

генераторов приведены на рис. 4. В схеме индуктивной трехточки (а) колебательный контур состоит из двух индуктивностей L1 и L2, включенных последовательно, и емкости Ск. По сути, эта схема идентична схеме с трансформаторной связью, в которой использовано автотрансформаторное включение катушек L1 и L2 В схеме емкостной трехточки вместо трансформаторного делителя использован емкостной делитель, состоящий из двух емкостей С1 и С2.

Для выполнения условия баланса фаз противоположные концы контура включены между стоком и затвором (или между базой и коллектором). Средняя точка индуктивного или емкостного делителя подключена к истоку (или эмиттеру). Полные схемы трехточечных генераторов приведены на рис. 5. На рис. 5 а приведена схема трехточечного генератора с емкостным делителем, называемого генератором Колпитца. Выходное напряжение снимается с дополнительной выходной обмотки LCB. На затвор транзистора подается через резистор R2 напряжение смещения, которое выбирается таким образом, чтобы уменьшить искажение формы выходного напряжения.

На рис. 5 б приведена схема индуктивной трехточки, называемой генератором Хартли. Для замыкания средней точки индуктивного делителя с эмиттером используется конденсатор Ссв. Сопротивления R1 и R2 обеспечивают выбор рабочей точки транзистора по постоянному току.

RС-генераторы гармонических сигналов.

Генераторы с LC-контурами нашли широкое применение на высокой частоте, однако их применение на низкой частоте осложняется низким качеством и большими габаритами катушек индуктивности. В связи с этим низкочастотные генераторы обычно используют различные RС-цепи в звеньях положительной обратной связи. Эти RС-цепи обычно имеют квазирезонансные характеристики, со сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями, равным нулю или 180°. Две такие цепи приведены на рис. 6 Первая цепь (рис. 6 а) состоит из трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых обеспечивает сдвиг по фазе на 60°. В результате выходное напряжение будет сдвинуто по отношения к входному на 180°С. Для возбуждения колебаний усилитель также должен иметь сдвиг по фазе, равный 180°, т. е. должен быть инвертирующим.

Вторая цепь, изображенная на рис. 6 б, называется мостом Вина и на квазирезонансной частоте обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю, поэтому для возбуждения колебаний усилитель должен быть неинвертирующим.

второе звено состоит из параллельного соединения таких же R и С и имеет сопротивление

Мост Вина состоит из двух .RC-звеньев: первое звено состоит из последовательного соединения R и С и имеет сопротивление

откуда после подстановки Z, и Z2, найдем

Коэффициент передачи звена положительной обратной связи определяется выражением

Если выполнить условие l-(wCR)2=0, то фазовый сдвиг будет равен нулю, а b= 1/3. В этом случае частоту генератора можно будет определить по формуле

w = 1/(СR). (1)

Для стабилизации амплитуды в таких генераторах используют нелинейную отрицательную обратную связь. Две схемы генераторов низкой частоты с мостом Вина и различным выполнением цепи отрицательной обратной связи приведены на рис. 7. На рис. 7 а показана схема генератора с операционным усилителем, в котором отрицательная обратная связь выполнена в виде нелинейного делителя напряжения на сопротивлениях r1 и T. Сопротивление г1 — линейное, а Сопротивление T — нелинейное. В качестве сопротивления T очень часто используют лампочку накаливания. При увеличении выходного напряжения сопротивление металлической нити лампы накаливания увеличивается, что приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи и, следовательно, к уменьшению усиления. В результате выходное напряжение стабилизируется на определенном уровне.

Другой способ стабилизации выходного напряжения генератора показан на рис. 7 б. В этой схеме в качестве регулируемого сопротивления используется сопротивление канала полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. При увеличении выходного напряжения генератора увеличивается отрицательное напряжение на затворе транзистора, в результате этого его сопротивление увеличивается, что приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи и, следовательно, к снижению усиления.

Следует отметить, что в обеих схемах, приведенных на рис. 7, коэффициент усиления усилителя должен быть больше трех. Именно это значение коэффициента усиления и устанавливается при помощи регулируемой цепи обратной связи.

Генераторы с внутренней обратной связью (с отрицательным сопротивлением)

В рассмотренных типах генераторов цепи обратной связи отделены от усилительного элемента. Однако существует большая группа генераторов, в которых внешних цепей обратной связи нет совсем. В таких генераторах используются участки вольт-амперных характеристик различных элементов, имеющие отрицательное сопротивление. Участки с отрицательным сопротивлением (или проводимостью) имеются у некоторых типов электронных ламп, например, тетродов, туннельных диодов, динисторов и тиристоров. Если отрицательное сопротивление такого элемента больше положительного сопротивления колебательного контура, то, включив такой элемент в состав контура, можно скомпенсировать потери и тем самым создать в контуре незатухающие колебания.

На рис. 8 показан генератор на туннельном диоде VD. В состав генератора входят, кроме туннельного диода, источник питания Е и катушка индуктивности L с сопротивлением R. Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 8 б) на участке А-В имеет отрицательное дифференциальное сопротивление -(20… 100Ом). При включении питания рабочая точка вначале перемещается по ветви О-А. Достигнув точки А, из-за наличия в цепи индуктивности рабочая точка перемещается скачком в точку Б. Если напряжение источника меньше значения u2, то рабочая точка перемещается из точки Б в точку B откуда скачком возвращается в точку Г. Далее процесс повторяется. Очевидно, что напряжение питания должно выбираться из условия ul<E<u2. а сопротивление R < Rдиф. Так как скачки из точки А в точку Б и из точки В в точку Г происходят достаточно быстро, то па выходном напряжении они представлены и виде прямых линий. На участках А-Г и Б-В скорость перемещения зависит от постоянной времени RL-цепи и характеристик диода. Форма выходного напряжения приведена на рис. 9 6.

Кварцевые генераторы.

Кварцевые генераторы получили свое название от кристалла кварца, который используется в генераторе вместо колебательного контура. Добротность колебательного контура на кварце и его стабильность настолько велики, что достичь таких значений в схемах генераторов LC- или RC-типа просто невозможно. Так, например, стабильность частоты -RC-генераторов имеет значение около 0,1%, LC-генераторов — около 0,01%, а кварцевый генератор имеет нестабильность частоты от 10-4 до 10-5%.

Конструктивно кварцевый контур выполняется в виде кварцевой пластины с нанесенными на нее электродами. Эквивалентная схема кварцевого контура состоит из следующих элементов: L — эквивалентная индуктивность кварца, Rnc — сопротивление потерь, Сс — последовательная емкость, Ср — параллельная емкость. Такой контур имеет две резонансные частоты: резонанса напряжений и резонанса токов, причем. Эти резонансные частоты расположены очень близко друг к другу и отличаются всего примерно на 1%. В результате этого частотная характеристика кварцевого контура имеет очень острый пик и высокую добротность.

Две схемы кварцевых генераторов приведены на рис. 11. На рис. 11,а

приведена схема кварцевого генератора, предложенная Пирсом. В этой схеме кварц включается между стоком и затвором полевого транзистора VТ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. Однако на частоте резонанса кварц вносит дополнительный фазовый сдвиг на 180°, в результате чего обратная связь становится положительной.

Аналогичным образом функционирует схема кварцевого генератора, предложенная Колпитцем (рис. 11, 6). В этой схеме для облегчения возбуждения применен емкостной делитель на элементах С, и С2. В результате чего схема становится похожей на емкостную трехточку.

Тема урока генератор на транзисторе автоколебания » Радиоэлектроника

План — конспект:

Структура урока,

время шага

Деятельность учителя

Деятельность обучающихся

Мультимедиа компонент

и методическое обоснование

1. Орг. момент, актуализация познаний, нужных для усвоения нового материала

5мин

Вопросы учащимся:

1.Какие вещества именуют полупроводниками?

2. Что такое транзистор?

3. Из каких главных частей он состоит?

4. Назовите главные носители базы, эмиттера, коллектора.

5. Действие транзистора. Условное изображение на схеме.

6. Колебания. Виды колебаний.

7.Почему колебания затухают со временем?

Обучающиеся дают ответы на вопросы.

1.Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями

удельной электропроводности, лежащей в спектре меж удельной

электропроводностью металлов и не плохих диэлектриков

2. Транзистор — усилитель электронных колебаний.3.Состоит из трёх областей, последние из которых владеют дырочной проводимостью, а средняя — электрической: эмиттер, коллектор, база.

4. База — электроны, коллектор и эмиттер — дырки. 5. Одна из областей триода, к примеру левая, содержит обычно в сотки раз большее количество примеси р-типа, чем количество n-примеси в n-области. Потому прямой ток через р-n-переход будет состоять практически только из дырок, передвигающихся слева вправо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие термическое движение, диффундируют по направлению к n-р-переходу, но отчасти успевают перетерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не очень много, то большая часть дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую р-область.

Слайд №1

Презентации

Актуализация опорных познаний.

2. Сообщение темы

и цели урока, мотивация учебной деятельности

5 мин

Свободные электрические колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Сейчас на уроке нам предстоит решить делему: необходимо сделать устройство, при помощи которого компенсировались бы энергопотери при каждом полном колебании в контуре для того, чтоб они были незатухающими. Как это можно сделать? Основываясь на собственных познаниях, предложите методы решения данной трудности. На это отводится 2 минутки. Работа в парах. Учитель корректирует и рецензирует результаты.

(После выполнения задания учитель обобщает предложенные результаты, обсуждая и комментируя каждый вариант)

Вывод: Можно использовать автоколебания. Формулируется тема и цель урока (для учащихся).

Учащиеся изучают предложенные им идеи и делают несколько вариантов композиций. По истечению времени озвучивают собственный вариант, единомышленники со схожим результатом могут присоединиться, либо отредактировать предложенную версию. Все версии оформляются на доске для всеобщего рассмотрения.

Мотивационный компонент.

Чувственный настрой.

2 и 3 слайды

3. Исследование нового материала, демо опыт, исторический экскурс

25 мин

Намедни первой мировой войны Наша родина в научном отношении существенно отставала от передовых капиталистических государств. А именно, в Рф не было радиотехнической индустрии. Всё оборудование для радиосвязи приходилось ввозить из-за границы, а после революции этот источник был фактически закрыт. В этих критериях русские ученые Крылов, Мандельштам, Папалекси, Андронов провели настолько глубочайшие исследования по дилеммам принужденных колебаний, что намного обогнали собственных западных коллег, так что мировой научный центр по этим дилеммам переместился в СССР.

4 слайд Мотивационный компонент.

Чувственный настрой.

При свободных колебаниях энергия системы миниатюризируется. Вопросы учащимся:

1.Почему? Ещё раз обобщим то, что мы уже произнесли, обсуждая делему, поставленную на уроке. 2.Как получить незатухающие колебания? 3. Каким условиям должен удовлетворять этот источник?

1.Вследствие необратимых утрат, колебания затухают. 2. Нужно иметь сторонний источник энергии. 3. Поступление энергии за период в колебательную систему должно быть точно равно её убыли из системы и наружняя сила должна действовать в «такт» с своими колебаниями.

5 слайд Получение новых познаний

Обширно применимы так именуемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет неизменного наружного источника энергии, при этом сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в подходящий момент времени. Частота и амплитуда автоколебаний определяются качествами самой системы и не зависят от наружного воздействия. Например, под металлической гирей, висячей на пружине, размещается электромагнит. Если будут попеременно включать и выключать ток, то гиря начнет совершать обязанные колебания. Попытайтесь разъяснить, что будет происходить далее.

Далее можно сделать так, чтоб гиря, колеблющаяся вверх-вниз, сама замыкала и размыкала цепь. Средний провод зажат прищепкой так, что касается гири, пока она вверху. Ток, проходя через пружину, гирю, средний провод и катушку, намагничивает ее сердечник. Гиря изготовлена из стали, потому она притягивается к сердечнику, другими словами опускается вниз. Скоро она отсоединяется от среднего провода, ток прекращается, и магнитное поле исчезает. Под действием пружины гиря подымется ввысь и опять замыкает цепь.

Таким макаром, будут проходить автоколебания.

6 слайд Получение новых познаний.

Приведем примеры автоколебаний:

незатухающие колебания маятника часов за счёт неизменного деяния тяжести заводной гири-

колебания скрипичной струны под воздействием умеренно передвигающегося смычка-

колебание воздушного столба в трубе органа, при равномерной подаче воздуха в неё-

вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со металлической осью, подвешенной к магниту и закрученной

образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек-

голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки.

7 слайд

Получение новых познаний. Внедрение межпредметных связей.

Вопросы учащимся:

Вспомните то общее, что присуще таким колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники, колебательный контур.

Примером механической автоколебательной системы являются маятниковые часы, модель которых изображена на слайде. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для сотворения равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его основных чертах сохранилось по сей день: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо. Обращаю внимание учащихся на то, что в главном маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания появляются и поддерживаются самой колебательной системой, другими словами являются автоколебаниями.

В их могут появляться свободные колебания, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализированных системах они являются незатухающими, гармоническими. В данном случае их частота определяется качествами самой системы, а амплитуда находится в зависимости от исходных критерий.

Учащимся предлагают самим найти, какой вид колебаний имеет тут место, именовать главные части этой колебательной системы: маятник (колебательная система), поднятая гиря (источник энергии), храповое колесо с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энергии от источника в систему).

8 слайд Получение новых познаний.

Приготовить учащихся к рассмотрению электрических автоколебаний. Демонстрация работы маятника в часах

Вопросы учащимся:

Попытайтесь, делая упор на слайд презентации разъяснить работу электронного звонка, как примера автоколебательной системы

Когда электронная цепь замкнута, электромагнит притягивает металлическую деталь с молоточком, ударяющим по звонку, и разрывает цепь. После чего система ворачивается в начальное положение, и процесс повторяется.

9 слайд

Получение новых познаний.

Анализируя работу данного механизма, нужно выделить главные элементы, соответствующие для многих автоколебательных систем и соединить их в блок-схему

Учащиеся участвуют в обсуждении, делают выводы.

10 слайд

Используя способ аналогий, перебегаем от механической автоколебательной системы к электрической автоколебательной системе. Анализируем, что можно использовать в качестве источника энергии, клапана, колебательной системы в электронной цепи и как можно выполнить оборотную связь меж клапаном и колебательной системой.

11 слайд

Разъяснение механизма работы генератора на транзисторе.

В момент подключения источника неизменного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электрические колебания. Потому что катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой оборотной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке оборотной связи переменную ЭДС таковой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база — эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Потому что частота этих пульсаций равна частоте электрических колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем поддерживают неизменной амплитуду колебаний в контуре.

12 слайд

Показать колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58. В качестве источника энергии служит батарея напряжением 4,5 В, роль «клапана» играет транзистор, в качестве оборотной связи употребляют катушку от универсального трансформатора (на 12 В), концы которой соединяют с базой и эмиттером транзистора. Колебательный контур включен в цепь коллектора. Катушку контура и катушку оборотной связи располагают на общем магнитопроводе из такого же комплекта универсального трансформатора. Напряжение с контура подают на электрический осциллограф ОЭШ.

Поменять электроемкость батареи и наблюдают изменение частоты колебаний генератора. Поменять индуктивность катушки (к примеру, медлительно поднимая ее по магнитопроводу), наблюдают тот же эффект.

Амплитуда колебаний зависит также от самой системы. Можно показать эту зависимость, включив поочередно в цепь контура переменное сопротивление: амплитуда колебаний генератора уменьшится.

Разъяснить, что при замыкании ключа через транзистор от источника энергии проходит импульс тока, которым заряжается конденсатор контура. В контуре при разрядке конденсатора появляются свободные затухающие колебания.

Роль катушки оборотной связи иллюстрируют на опыте: поменяв местами провода, идущие к катушке оборотной связи, убеждаются в отсутствии, колебаний в контуре генератора. Восстановив прежнюю схему, можно узреть, что генератор вновь работает. Делают вывод: пульсирующий ток в коллекторной цепи наращивает либо уменьшает силу тока в контуре зависимо от того, в какие моменты раскрывается транзистор (а транзистор раскрывается и запирается той переменной ЭДС, которая наводится в катушке оборотной связи). Соответственно пульсации коллекторного тока или совпадают с конфигурацией тока в контуре (и тем усиливают его), или оказываются обратными (и ослабляют (гасят) ток в этом контуре). Потому генерация колебаний вероятна только при определенном подключении катушки оборотной связи.

Поднимая катушку оборотной связи по магнитопроводу, следить на осциллограмме уменьшение амплитуды колебаний. Это разъясняют тем, что связь катушки становится слабее с контуром и тем миниатюризируется наводимая в ней ЭДС. Если связь станет еще слабее, колебания в контуре затухнут, потому что при слабенькой оборотной связи энергия, поступающая в контур за период, оказывается меньше утрат энергии в контуре.

Выделяют элементы установки и узнают их роль в работе генератора.

Делают вывод: частота колебаний генератора находится в зависимости от характеристик самой колебательной системы

Предложить школьникам разобраться в энергетических превращениях в демонстрируемой автоколебательной системе: чтоб колебания в контуре были незатухающими, источник напряжения должен временами к нему подключаться, возмещая энергопотери в этом контуре. Это достигается тем, что контур индуктивно связан с участком «эмиттер — база» через катушку оборотной связи

Демонстрация.

Проанализируйте, что можно использовать в качестве источника энергии, клапана, колебательной системы в электронной цепи и как можно выполнить оборотную связь меж клапаном и колебательной системой.

Сразу на доске и в тетрадях заполняем таблицу 1.

13 слайд

Классификация и конкретизация ранее приобретенных познаний.

Завершаем исследование темы рассмотрением вопроса о применении автоколебательных систем. Примеры автоколебаний в природе и технике

Поток воздуха, скорость которого больше некой критичной величины, вызывает колебания — полоскание флага на ветру

колебания листьев растений под действием равномерного потока воздуха-

образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек-

голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки-

действие постоянных гейзеров и пр.

На автоколебаниях основан принцип деяния огромного количества различных технических устройств и приспособлений, в том числе:

работа различных часов как механических, так и электрических-

звучание всех духовых и струнно-смычковых музыкальных инструментов-

действие различных генераторов электронных и электрических колебаний, используемых в электротехнике, радиотехнике и электронике-

работа поршневых паровых машин и движков внутреннего сгорания

некие системы автоматического регулирования работают в режиме автоколебаний, когда регулируемая величина колеблется в округи требуемого значения, то превышая его, то опускаясь ниже него, в допустимом для целей регулирования спектре (к примеру, система терморегулирования домашнего холодильника).

14 слайд

Внедрение межпредметных связей.

4. Проверка осознания учащимися изученного материала

и его первичное закрепление

14 мин

Итак, 1. Что такое автоколебательная система?

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

3. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?

4. Как осуществляется оборотная связь в генераторе на транзисторе?

5. Укажите главные элементы автоколебательной системы.

6. Приведите примеры автоколебательных систем, не рассмотренных на уроке.

Выполнение проверочного теста

Какие из перечисленных колебаний относятся к автоколебаниям?1. Колебания маятника в часах. 2. Колебания грузанапружине. 3. Биение сердца. 4. Колебания в генераторе высочайшей частоты. 5. Колебания струны гитары.

А. Только 1- 4. Б. Только 1- 3- 4. В. Только 1- 4.

На рисунках1и 2 даны электронные схемы. Вкакойиз их могут наблюдаться автоколебания?

А. Набросок 1. Б. Набросок 2. В. В предложенных схемах автоколебания осуще-ствляться не могут.

От каких частей зависит частота электрических ко-лебаний частотного генератора?

А. Только от емкости конденсатора. Б. От напряжения батареи, емкости кон-денсатора и индуктивности катушки. В. Только от емкости конденсатора и индук-тивности катушки.

Каково предназначение катушки связи?

А. Устанавливает оборотную связь меж колебательным контуром и источ-ником тока. Б. Устанавливает оборотную связь меж транзистором и источником тока. В. Устанавливает оборотную связь меж колебательным контуром и тран-зистором.

Каково предназначение транзистора в генераторе высочайшей ча-стоты?

А. Регулирует частоту в колебательном контуре. Б. Регулирует поступление энергии от источника тока в колебательном контуре. В. Производит энергию.

Какая запись верно охарактеризовывает соотношение тока в транзисторе?

А. IЭ=IБ+ IК. Б. IЭ= IК-IБ. В. IБ-Iк+Iэ.

Какой потенциал относительно эмиттера должен быть на базе для поступления энергии от источника напряжения в коле-бательный контур? (На пластинке конденсатора, соединенной с коллектором, положительный заряд. )

А. Отрицательный. Б. Положительный. В. Поступление энергии не находится в зависимости от. потенциала на базе.

Один конец катушки оборотной связи соединен с базой, вто-рой — с:

А. Коллектором. Б. Катушкой колебательного контура. В. Эмиттером.

Амплитуда установив-шихся колебании:

А. Зависит только от исходных критерий. Б. Не находится в зависимости от характеристик автоколебательной системы. В. Не за-висит от исходных критерий и опреде-ляется параметрами автоколебатель-ной системы.

На рисунке 3 изображе-на схема генератора высочайшей частоты. Какой цифрой обо-значен элемент, в каком про-исходят автоколебания?

А.4.Б. 1. В.2.Г.3.

1.Системы, в каких генерируются незатухающие колебания за счёт поступления энергии от источника снутри системы

2. Автоколебания осуществляются в системе без воздействия наружных сил, не затухают

3.Он обеспечивает поступление энергии к колебательному контуру(делает функцию ключа)

4.При помощи катушки

5. Источник энергии, Устройство,

регулирующее

поступление энергии, колебательная система

6. Лазер

15 слайд

Установление оборотной связи.

16-25 слайды

Тестовый контроль познаний с следующей самопроверкой

5. Рефлексия, домашнее задание

1 мин

На этом мы заканчиваем исследование механических и электронных колебаний. Замечательна тождественность общего нрава процессов различной природы, тождественность математических уравнений, которые их обрисовывают. Эта тождественность, как мы лицезрели, значительно упрощает исследование колебаний.

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

Для сотворения нового нужно изучить особенности имеющегося материала. Только пытливость и активный поиск двигают науку вперёд. Дерзайте, творите, фантазируйте!

Домашнее задание: «А»- конспект урока

«В»-конспект, § 36,

«С»- конспект, § 36,№ 971, 979 (Рымкевич )

26 слайд

Чувственный компонент.

Дифференцированное домашнее задание

Схема генератора автоколебательных транзисторов. Затухающие электрические колебания. Автоколебания. Генератор непрерывных колебаний (транзистор). Генераторы на полевых транзисторах

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухают. Чтобы они были недемпфирующими, необходимо создать устройство, с помощью которого можно было бы компенсировать потери энергии при каждом полном колебании в цепи. Так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии , и сама система контролирует его, обеспечивая постоянство подачи энергии в определенных порциях в нужное время.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого возмещаются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужное время; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Транзисторный генератор является примером автоколебательной системы. На рис. 2 представлена ​​упрощенная схема такого генератора, в котором транзистор играет роль «клапана».Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L sv индуктивно связан с колебательным контуром. Эта катушка называется катушкой обратной связи.

При замкнутом контуре через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор С колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромагнитные колебания малой амплитуды. Ток, протекающий через катушку контура L , индуцирует переменное напряжение на концах катушки обратной связи. Под действием этого напряжения электрическое поле эмиттерного перехода периодически увеличивается и уменьшается, а транзистор открывается и закрывается. В те промежутки времени, когда транзистор открыт, через него проходят импульсы тока. Если катушка L св подключена правильно (положительная обратная связь), то частота импульсов тока совпадает с частотой колебаний, возникших в цепи, и импульсы тока поступают в цепь в те моменты, когда конденсатор нагревается. заряжен (когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно).Следовательно, импульсы тока, проходящие через транзистор, заряжают конденсатор и восполняют энергию цепи, а колебания в цепи не затухают.

Если при положительной обратной связи медленно увеличивать расстояние между катушками L sv и L , то с помощью осциллографа можно обнаружить, что амплитуда автоколебаний уменьшается, и автоколебания могут остановка. Это означает, что при слабой обратной связи энергия, поступающая в цепь, меньше энергии, которая необратимо преобразуется во внутреннюю энергию. Таким образом, обратная связь должна быть такой, чтобы: 1) напряжение на эмиттерном переходе изменялось по фазе с напряжением на конденсаторе цепи — это фазовое условие самовозбуждения генератора; 2) обратная связь обеспечит подачу в цепь столько энергии, сколько необходимо для компенсации потерь энергии в цепи — это амплитудное условие самовозбуждения.

Частота автоколебаний равна частоте свободных колебаний в контуре и зависит от ее параметров.

За счет уменьшения L и ИЗ можно получить высокочастотные непрерывные колебания, используемые в радиотехнике.

Амплитуда установившихся автоколебаний, как показывает практика, не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы — напряжением источника, расстоянием между L св и L , сопротивление цепи.

Аксенович Л.А. Физика в вузе: Теория.Задачи. Тесты: Учебник. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Эд. К. С. Фарино. — Минск: Адукаться и выхаванне, 2004. — С. 394-395.

Автоколебания — это устойчивые колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживаемые энергией постоянной, то есть непериодическое внешнее воздействие. Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызываются периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, а возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы. .Термин автоколебание был введен в русскоязычную терминологию А.А. Андронов в 1928 году.

Примерами автоколебаний являются: непрерывные колебания маятника часов, вызванные постоянным действием силы тяжести заводного груза; колебания струны скрипки под действием равномерно движущегося смычка; возникновение переменного тока в схемах мультивибратора и других электронных генераторах с постоянным напряжением питания; колебание столба воздуха в органной трубе при равномерной подаче в него воздуха; вращательные колебания часового механизма из латуни со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной (опыт Гамазкова)

а) энергия от источника должна приходить синхронно с колебаниями в контуре; б) энергия, подводимая от источника, должна быть равна его потерям в цепи.

Slide 11

Работа транзисторного генератора

1. Для того, чтобы в цепи появился ток и перезарядил конденсатор цепи при колебаниях, необходимо сообщить базу «-» относительно потенциала эмиттера, а в те промежутки времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжается «+», а нижний — «-». Это соответствует закрытому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в цепи напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в цепи.3. Нужна обратная связь.

Работа транзисторного генератора. 1. Для того, чтобы в цепи появился ток и перезарядил конденсатор цепи при колебаниях, необходимо сообщить базу «-» относительно потенциала эмиттера, а в тех интервалах времени, когда верхняя пластина конденсатора находится в заряженный «+», а нижний — «-». Это соответствует закрытому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в цепи напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в цепи. 3. Нужна обратная связь.

Слайд 11 из презентации «Колебания» к урокам физики по теме «Типы колебаний»

Размеры: 960 x 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно загрузить слайд для использования на уроке физики, щелкните изображение правой кнопкой мыши и выберите «Сохранить изображение как …». Вы можете загрузить всю презентацию Autooscillation.pptx в zip-архиве размером 136 КБ.

Скачать презентацию

Виды колебаний

«Затухающие колебания» — Следовательно, движение носит апериодический (непериодический) характер — система, выведенная из положения равновесия, возвращается в положение равновесия, не совершая колебаний.перестает быть периодическим. Тема: Затухающие колебания. Свободные затухающие колебания в электрическом колебательном контуре; 26,27.

«Автоколебания» — Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний. Термин автоколебание был введен в русскоязычную терминологию А. Часов как автоколебательная система. Автоколебания — это устойчивые колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживаемые энергией постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.

«Физика« Гармонические колебания »» — Коэффициент затухания. Движение от исходной точки к возвращению в ту же точку. Затухающие колебания — это непериодические колебания. Заряд на пластине конденсатора. Максимальные значения. Затухание обычно характеризуется логарифмическим декрементом. Другой вид резонанса. Уравнение затухающих колебаний в контуре.

«Гармонические колебания и маятники» — Свободные колебания. Маятник. Процессы. Разделим уравнение. Периодическое колебательное движение.Концепция вращающегося вектора. Энергия гармонического колебательного движения. Маятники. Печень. Колебательная система. Материальная точка. Гармоническое колебание с начальной фазой. Ускорение при гармонических колебаниях.

«Гармонические колебания» — вращающийся вектор амплитуды полностью характеризует гармонические колебания. 3. Разность фаз изменяется во времени произвольным образом. Амплитуда A возникающих колебаний зависит от разности начальных фаз. Используя правило сложения векторов, находим полную амплитуду результирующего колебания: такие колебания называются линейно поляризованными.

Накануне Первой мировой войны Россия в научном отношении сильно отставала от передовых капиталистических стран. В частности, в России не было радиотехнической промышленности. Все оборудование радиосвязи пришлось ввозить из-за границы, а после революции этот источник был практически закрыт. В этих условиях советские ученые Крылов, Мандельштам, Папалекси, Андронов провели настолько глубокие исследования проблем вынужденных колебаний, что намного опередили своих западных коллег, так что мировой научный центр по этим проблемам переместился в СССР.

При свободных колебаниях энергия системы уменьшается. В связи с этим стали широко применяться автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, и система сама управляет им, обеспечивая постоянство подачи энергии определенными порциями в нужное время. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешних воздействий. Например, электромагнит находится под стальным грузом, подвешенным на пружине. Если поочередно включать и выключать ток, гиря начнет совершать вынужденные колебания. Попробуй объяснить, что будет дальше? ..

А теперь попробуем привести примеры автоколебаний …

  1. незатухающие колебания часового маятника из-за постоянного действия силы тяжести намоточного груза;
  2. колебания струны скрипки под действием равномерно движущегося смычка;
  3. Колебание столба воздуха в органной трубе при равномерной подаче в него воздуха;
  4. вращательные колебания латунной часовой шестерни со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной
  5. , образование турбулентных потоков на перекатах и ​​порогах рек;
  6. Голоса людей, животных и птиц образуются из-за автоколебаний, возникающих при прохождении воздуха через голосовые связки.

Самая распространенная механическая автоколебательная система — это маятниковые часы. В 1657 году голландский физик Кристиан Гюйгенс предложил использовать изохронизм маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в основных чертах сохранилось до наших дней: маятник, приподнятый груз, якорь и ходовое колесо. Обратите внимание, что в целом маятник движется свободно, получая два толчка за период. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями.Для многих автоколебательных систем характерны основные элементы: сама колебательная система, источник энергии, «клапан» (регулирует поступление энергии в колебательную систему).

Используя метод аналогий, перейдем от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе, которая генерирует электромагнитные колебания. Что можно использовать в качестве источника энергии (источника тока), клапана (транзистора), колебательной системы в электрической цепи (автогенератора)? .. Как можно реализовать обратную связь между клапаном и колебательной системой? .. (работа с учебником)

Принцип работы генератора на транзисторе (флэш-чертеж «Транзисторный генератор»)

В момент подключения источника через коллекторный контур транзистора протекает постоянный ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В цепи появятся свободные электромагнитные колебания. Поскольку катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, ее изменяющееся магнитное поле вызовет переменную ЭДС в катушке обратной связи той же частоты, что и колебания в контуре.Эта ЭДС при приложении к секции база-эмиттер вызовет пульсации тока в цепи коллектора. Поскольку частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, они перезаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянную амплитуду колебаний в контуре.

Наблюдение за изменением формы осциллограммы по частоте и амплитуде колебаний

Предлагаю вам провести небольшое исследование электромагнитных колебаний звуковой частоты.Что нам для этого нужно? .. Звуковой генератор и осциллограф! Но не просто, а … виртуально! Следовательно, вам понадобится еще пара компьютеров для ваших мини-лабораторий.

Мы разделимся на 2 группы для изучения зависимости режима колебаний от их 1) частоты и 2) амплитуды.

А раз уж мы будем работать со звуковым генератором, напомните, пожалуйста, диапазон слышимых звуковых частот? .. (флэш-рисунок «Диапазоны звуковых частот»)

Группа 1 будет работать в акустическом (слышимом) диапазоне звуковых частот.

Для группы 2 нет ограничений по диапазону амплитуд.

Приступайте к работе! ..

Результаты наблюдений за зависимостью режима вибрации от их частоты:

Ребята, посмотрите какая у нас необычная картинная галерея! Теперь звуком могут наслаждаться не только наши органы слуха, но и глаза! И не будут казаться странными следующие слова: «Вы уже видели новую мелодию? Посмотри, какая она красивая! «

В нашем мини-исследовании мы использовали звуковой генератор… Что мы о нем знаем? .. Какие еще есть генераторы? ..

« Физика — 11 класс»

Вынужденные колебания вызываются переменным напряжением, генерируемым генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут производить высокочастотные колебания, необходимые для радиосвязи? поскольку для этого потребуется очень высокая частота вращения ротора.
Высокочастотные колебания получаются, например, с помощью транзисторного генератора.

Автоколебательные системы

Обычно непрерывные вынужденные колебания в цепи поддерживаются под действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения устойчивых колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания с источником энергии.
Если система сама регулирует поток энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то незатухающих колебаний .

Системы, в которых устойчивые колебания генерируются за счет потока энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными … Непрерывные колебания, которые существуют в системе без действующих на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями .

Транзисторный генератор является примером автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкости С и катушкой индуктивности L, источника энергии и транзистора.

Как создать в цепи непрерывные колебания?

Чтобы электромагнитные колебания в цепи не затухали, необходимо компенсировать потери энергии за каждый период.

Вы можете восполнить энергию в цепи, перезарядив конденсатор.
Для этого необходимо периодически подключать схему к источнику постоянного напряжения.

Конденсатор следует подключать к источнику только в тех интервалах, когда пластина, подключенная к положительному полюсу источника, заряжена положительно, а пластина, подключенная к отрицательному полюсу, — отрицательно.
Только в этом случае источник будет перезаряжать конденсатор, восполняя его энергию.

Если ключ закрыт в тот момент, когда пластина, подключенная к положительному полюсу источника, имеет отрицательный заряд, а подключенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. В этом случае энергия конденсатора уменьшится.

Источник постоянного напряжения, постоянно подключенный к конденсатору цепи, не может поддерживать в нем непрерывные 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 к источнику.

В цепи незатухающие колебания установятся только при условии, что источник подключен к цепи в те промежутки времени, когда возможна передача энергии конденсатору.
Для этого необходимо обеспечить автоматическое срабатывание ключа.
При высокой частоте вибрации ключ должен иметь надежную работу.В качестве такого практически безынерционного переключателя используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, такие как дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа транзисторного генератора

Колебательный контур включен последовательно с источником напряжения и транзистором, так что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный.
В этом случае переход эмиттер-база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база-коллектор (коллекторный переход) перевернут, и в цепи не течет ток.
Это соответствует открытому ключу.

Для того, чтобы в цепи цепи появился ток и перезарядил конденсатор цепи при колебаниях, необходимо сообщить базу о наличии отрицательного потенциала по отношению к эмиттеру, а в тех интервалах, когда верхняя пластина конденсатор заряжен положительно, а нижний — отрицательно.
Это соответствует закрытому ключу.

В промежутках, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя пластина — положительно, в цепи цепи не должно быть тока. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в цепи напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в цепи.
Требуется отзыва .

Здесь обратная связь индуктивная.
Катушка с индуктивностью L CB подключена к эмиттерному переходу, который индуктивно связан с катушкой с индуктивностью L контура.
Колебания в цепи из-за электромагнитной индукции вызывают колебания напряжения на концах катушки и, следовательно, на переходе эмиттера.
Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе выбрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур через необходимые промежутки времени, и колебания не затухают.
Напротив, амплитуда колебаний в цепи увеличивается до тех пор, пока потери энергии в цепи не будут точно компенсированы поступлением энергии от источника.
Эта амплитуда тем больше, чем выше напряжение источника.
Повышение напряжения приводит к увеличению «толчков» тока перезарядки конденсатора.

Транзисторные генераторы широко используются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, компьютерах.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере транзисторного генератора можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.


1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются устойчивые колебания (в транзисторном генераторе это источник постоянного напряжения).

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

3. Устройство, регулирующее поток энергии от источника к колебательной системе — вентиль (в рассматриваемом генераторе — транзистор).

4. Устройство обратной связи, с помощью которого колебательная система управляет вентилем (в генераторе на транзисторе — индуктивная связь катушки контура с катушкой в ​​цепи эмиттер-база).

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесо с пружиной, совершающей крутильные колебания).Источником энергии в часах является потенциальная энергия поднятого груза или сжатой пружины.

Автоколебательные системы включают электрический звонок, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Поваренная книга по биполярным транзисторам

— Часть 6


Два наиболее широко используемых типа схем транзисторных генераторов сигналов — это типы генераторов, которые генерируют синусоидальные волны и используют транзисторы в качестве линейных усилительных элементов, и типы мультивибраторов, которые генерируют квадратные или прямоугольные формы сигналов и используют транзисторы в качестве цифровых переключающих элементов.

Наша последняя статья посвящена практическим схемам типа генератора. На этот раз мы опишем способы использования биполяров для создания практических мультивибраторных типов схем генератора сигналов.

ТИПЫ ЦЕПЕЙ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Мультивибраторы — это двухпозиционные схемы (высокий выход или низкий уровень), которые можно переключать между одним состоянием и другим с помощью подходящего сигнала запуска, который может генерироваться либо внутри, либо снаружи. Существует четыре основных типа мультивибраторных (мульти) схем, и все они полезны в приложениях для генерации сигналов.Из этих четырех нестабильный имеет два квазистабильных состояния и полезен в качестве автономного генератора прямоугольных сигналов. Моностабильный режим имеет одно стабильное и одно квазистабильное состояние и может использоваться в качестве генератора импульсов срабатывания. Бистабильный режим имеет два стабильных состояния и может использоваться в качестве генератора сигналов с синхронизацией «стоп / движение» или «высокий / низкий». Наконец, Шмитт имеет два стабильных состояния, чувствительных к входному напряжению, и может использоваться в качестве преобразователя синусоидальной формы сигнала в прямоугольный или порогового переключателя.

ОСНОВА НАСТОЛЬНОГО МУЛЬТИВИБРАТОРА

На рисунке 1 показаны схема и генерируемые формы сигналов простого нестабильного мультивибратора с частотой 1 кГц, в котором два транзистора перекрестно связаны (от коллектора к базе) через схемы таймеров C1-R1 и C2-R2. Основное действие схемы таково, что в момент, когда питание первоначально переключается на схему, неизбежные различия в точных характеристиках Q1 и Q2 заставляют один транзистор включаться немного быстрее, чем другой, и перекрестная связь затем вызывает регенеративную должно иметь место коммутационное действие, при котором один транзистор резко включается, а другой резко выключается.

РИСУНОК 1. Схема и формы сигналов базового нестабильного мультивибратора 1 кГц.


После задержки, определяемой постоянной времени C1-R1 или C2-R2, выключенный транзистор снова начинает включаться, и перекрестная связь затем вызывает другое регенеративное действие, при котором два транзистора снова резко меняют состояние. Затем весь процесс повторяется до бесконечности. Таким образом, базовая схема действует как автоколебательный регенеративный переключатель, в котором периоды включения и выключения регулируются постоянными времени C1-R1 и C2-R2. Если эти постоянные времени равны (C1 = C2 = C и R1 = R2 = R), схема действует как генератор прямоугольных импульсов и работает на частоте около 1 / (1.4CR). Частоту можно уменьшить, увеличив значения C или R, или увеличить, уменьшив значения C или R, или можно сделать регулируемой, используя сдвоенные переменные резисторы (последовательно с ограничивающими резисторами 10 кОм) вместо R1 и R2.

Выходы могут быть взяты с любого коллектора, и два выхода находятся в противофазе. Рабочая частота схемы Figure 1 почти не зависит от значений напряжения питания в диапазоне от 1,5 В до 9,0 В; верхний предел напряжения устанавливается тем фактом, что, когда транзисторы меняют состояние в конце каждого полупериода, переход база-эмиттер выключенного транзистора смещается в обратном направлении на величину, почти равную напряжению питания, и будет стабилитроном ( и нарушить синхронизацию), если это напряжение превышает значение напряжения обратного пробоя перехода (которое обычно составляет около 10 В).

Эту проблему можно решить, подключив кремниевый диод последовательно со входом каждого транзистора, чтобы поднять его эффективное значение стабилитрона до значения диода, как показано на Рис. 2 .

РИСУНОК 2. Пример широкого напряжения питания нестабильного мультивибратора с частотой 1 кГц.


Эта защищенная схема может использоваться с любым источником питания в диапазоне от 3 В до 20 В и дает изменение частоты всего на 2% при изменении напряжения питания от 6 В до 18 В.Это изменение можно уменьшить до 0,5%, если подключить дополнительный компенсационный диод последовательно с коллектором каждого транзистора, как показано на схеме , рис. 3, .

РИСУНОК 3. Высокостабильная версия базового рисунка 2 Схема нестабильного мультивибратора 1 кГц.


ВАРИАНТЫ РАБОЧЕЙ ЦЕПИ

Базовая схема Рис. 1 Нестабильная схема может быть изменена несколькими способами: либо для улучшения ее характеристик, либо для изменения типа генерируемого выходного сигнала. Некоторые из наиболее популярных из этих вариантов показаны на рисунках 4 с по 9 .

Одним из недостатков базовой схемы является то, что передние фронты ее выходных сигналов слегка закруглены — чем больше значения резисторов синхронизации R1-R2 по сравнению с резисторами нагрузки коллектора R3-R4, тем прямоугольнее становятся края. Максимальные используемые значения R1-R2 фактически ограничены h fe x R3 (или R4), и один из очевидных способов улучшения формы сигнала — заменить Q1 и Q2 парами транзисторов, соединенных Дарлингтоном, а затем использовать очень большие Значения R1 и R2, как в схеме на рис. 4 , в которой R1 и R2 могут иметь значения до 12M, а схема может использовать любой источник питания от 3 В до 18 В.

РИСУНОК 4. Долговременный нестабильный мультивибратор.


При показанных значениях R1-R2 схема дает общий период или время цикла около одной секунды на мкФ, когда C1 и C2 имеют равные значения, и дает отличный выходной сигнал прямоугольной формы. Закругление переднего фронта схемы , рис. 1, , может быть устранено путем использования модификаций схемы , рис. 5, , в которой управляющие диоды D1 и D2 автоматически отключают свои соответствующие синхронизирующие конденсаторы от коллекторов транзистора в момент транзисторная коммутация.Основные постоянные времени схемы устанавливаются C1-R1 и C2-R2, но эффективные нагрузки коллектора Q1 и Q2 равны параллельным сопротивлениям R3-R4 или R5-R6.

РИСУНОК 5. Нестабильная частота 1 кГц с коррекцией формы сигнала с помощью управляющих диодов D1 и D2.


Незначительным недостатком базовой схемы является то, что если ее питание медленно повышается с нуля до нормального значения, оба транзистора могут включиться одновременно, и генератор не запустится.Эту загвоздку можно преодолеть, используя схему уверенного пуска , рис. 6, , в которой синхронизирующие резисторы подключены к коллекторам транзистора таким образом, что одновременно может быть включен только один транзистор.

РИСУНОК 6. 1 кГц нестабильный с возможностью надежного старта.


Все показанные до сих пор нестабильные схемы дают симметричные формы выходных сигналов с соотношением метка / пространство 1: 1. Несимметричный сигнал можно получить, сделав один набор нестабильных постоянных времени больше другого. На рис. 7 показан генератор с фиксированной частотой (1100 Гц), в котором соотношение метка / интервал изменяется от 1:10 до 10: 1 с помощью RV1.

РИСУНОК 7. Базовый генератор переменного отношения метки / промежутка 1100 Гц.


Передние фронты выходных сигналов вышеупомянутой схемы могут быть нежелательно закругленными, когда управление промежутком между метками установлено в крайние положения. Кроме того, цепь может не запуститься, если питание подается слишком медленно. Обе эти проблемы преодолены в схеме , рис. 8, , которая оснащена диодами как с плавным пуском, так и с коррекцией формы сигнала.

РИСУНОК 8. Генератор переменного отношения метки / промежутка, 1100 Гц, с коррекцией формы сигнала и функцией надежного пуска.


Наконец, На рисунке 9 показана базовая нестабильная схема, измененная таким образом, что ее частота может изменяться в диапазоне 2: 1 (от 20 кГц до 10 кГц) с помощью одного потенциометра, а генерируемая форма волны может быть модулирована по частоте через внешний низкочастотный сигнал. Резисторы синхронизации R3 и R4 имеют верхние концы, подключенные к потенциометру RV1, и частота максимальна, когда потенциометр находится на положительной линии питания.Частотная модуляция достигается путем подачи низкочастотного сигнала на вершины R3-R4 через C4; C3 имеет низкий импеданс для несущего сигнала, но высокий импеданс для модулирующего.

РИСУНОК 9. Astable с переменной частотой и функцией FM.


МОНОСТАБИЛЬНАЯ ОСНОВА

Моностабильные мультивибраторы — это генераторы импульсов, которые могут запускаться электронным или ручным способом. На фиг. 10 показана схема последнего типа, которая запускается подачей положительного импульса на базу Q2 через S1 и R6.Эта схема работает следующим образом. Обычно Q1 доводится до насыщения через R5, поэтому на выходе (коллектор Q1) низкий уровень. Q2 (который получает свое базовое смещение от коллектора Q1 через R3) отключен при этом условии, поэтому C1 полностью заряжен. Когда сигнал запуска подается на базу Q2 через S1, Q2 включается, и его коллектор становится низким, обратное смещение базы Q1 через C1 и, таким образом, инициирует регенеративное действие переключения, при котором Q1 выключается (и его выход переключается на высокий уровень) через C1. отрицательный заряд, и Q2 включается через R1-R3 после того, как S1 высвобождается.Как только переключение завершено, C1 начинает разряжаться через R5, пока его заряд не упадет до такого низкого значения, что Q1 снова начнет включаться, тем самым инициируя другое регенеративное действие, в котором транзисторы возвращаются в свое исходное состояние и выходной импульс завершается, завершая действие.

РИСУНОК 10. Базовый генератор моностабильных импульсов с ручным запуском.


Таким образом, положительный импульс формируется на выходе Q1 каждый раз, когда через S1 подается входной сигнал запуска.Период импульса (P) определяется значениями R5-C1 и составляет примерно 0,7 x R5 x C1, где P выражается в мСм, C в мкФ, а R в килоомах, и в показанном примере составляет около 50 мСм / мкФ. . На практике, цепь , рис. 10, может быть запущена либо путем подачи отрицательного импульса на базу Q1, либо положительного импульса на базу Q2 (как показано). Обратите внимание, что переход база-эмиттер Q1 смещен в обратном направлении на пиковое значение, равное V SUPPLY во время рабочего цикла, тем самым ограничивая максимальное используемое напряжение питания примерно до 9 В.Можно использовать более высокие напряжения питания, подключив кремниевый диод последовательно с базой Q1, как показано D1 на схеме, чтобы обеспечить такое же действие по коррекции частоты, как описано ранее для нестабильной схемы.

ДЛИТЕЛЬНАЯ ЗАДЕРЖКА

Значение резистора синхронизации R5 должно быть большим относительно R2, но должно быть меньше, чем произведение значения h fe R1 и Q1. Очень длинные периоды синхронизации могут быть получены при использовании пары транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа вместо Q1, что позволяет использовать большие значения R5, как показано на схеме на рис. секунд с показанными значениями компонентов.

РИСУНОК 11. Долговременная (100 секунд) моностабильная схема.


Важно отметить, что базовая схема Рис. 10 фактически запускается в момент приложения (через S1 и R6) положительного импульса к базе Q2. Если этот импульс будет удален до того, как моностабильный завершит свой естественный период синхронизации, импульс закончится с регенерацией, как уже описано, но если запускающий импульс не будет удален (через S1) в это время, период моностабильности закончится без регенерации и будет иметь более длительный период и время падения, чем обычно. Эту проблему можно устранить, используя электронный (а не ручной) запуск, как описано в следующем разделе.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАПУСК

На рисунках 12, и , 13, показаны альтернативные способы применения электронного запуска к генератору моностабильных импульсов. В каждом случае схема запускается прямоугольным сигналом с коротким временем нарастания. Эта форма сигнала дифференцируется C2-R6, чтобы произвести короткий пусковой импульс. В схеме, показанной на рисунке 12, дифференцированный входной сигнал различается по D1, чтобы обеспечить положительный импульс запуска на базе Q2 каждый раз, когда применяется внешний сигнал запуска.В схеме , рис. 13, дифференцированный сигнал подается на Q3, что позволяет сигналу запуска быть совершенно независимым от Q2. Обратите внимание, что в последней схеме конденсатор ускорения C3 подключен к резистору обратной связи R3, чтобы улучшить форму выходного импульса схемы.

РИСУНОК 12. Моностабильный с электронным управлением.


Каждая из схем , рис. 12, и 13, дает период выходного импульса около 110 мс с показанными значениями компонентов.Период может изменяться от долей миллисекунды до многих секунд путем выбора значений C1-R5. Цепи могут запускаться синусоидальными или другими сигналами непрямоугольной формы, подавая их на моностабильный вход через триггер Шмитта или аналогичную схему синусоидального / квадратного преобразователя (см. , рисунок 20, ).

РИСУНОК 13. Моностабильный с запуском стробирующего входа.


БИСТАБИЛЬНЫЕ ЦЕПИ

Бистабильные мультивибраторы являются хорошими генераторами сигналов стоп-сигнал, а Рисунок 14 показывает базовую версию такой схемы с ручным запуском, которая также известна как триггер R-S (сброс-установка).Его выход можно установить в высокое состояние, кратковременно замкнув S1 (или подав отрицательный импульс на базу Q1 через токоограничивающий резистор), тем самым выключив Q1 (и одновременно включив Q2 через перекрестную связь R3), и затем схема фиксируется в этом состоянии до тех пор, пока она не будет сброшена в низкое состояние путем кратковременного замыкания S2 (или подачи импульса с ограничением отрицательного тока на базу Q2), тем самым выключая Q2 и, следовательно, включая Q1 через перекрестную связь R4. Затем схема фиксируется в этом новом состоянии, пока оно снова не будет установлено через S1, и так далее.

РИСУНОК 14. Базовый бистабильный мультивибратор R-S с ручным запуском.


Фиксирующее действие базовой схемы , рис. 14, основано на том факте, что напряжение насыщения (обычно 200 мВ) включенного транзистора значительно ниже, чем напряжение смещения базы (обычно 600 мВ) противоположного устройства. На практике эти идеальные условия могут не соблюдаться, если транзистор не является качественным кремниевым типом, или если он работает при чрезмерной температуре или с низкой нагрузкой коллектора.В сомнительных случаях надежность схемы может быть значительно увеличена путем использования модификаций, показанных в улучшенной схеме , рис. 15, , в которой резисторы R5 и R6 действуют как простые делители потенциала с R3 и R4 соответственно, тем самым уменьшая нежелательные эффекты. высоких напряжений насыщения и др.

РИСУНОК 15. Улучшенный бистабильный мультивибратор R-S с ручным запуском и срабатыванием по низкому уровню.


Цепи , рисунки 14, и , 15, , обе обеспечивают запускающее действие при низком уровне переключения, при котором схема меняет состояние, когда ВКЛЮЧЕННЫЙ транзистор выключается, переводя его базу на низкий уровень через переключатель или подавая отрицательный импульс его база.

На рисунке 16 показана альтернативная версия базового бистабильного устройства с ручным запуском, в котором схема обеспечивает переключение высокого уровня, при котором схема меняет состояние, когда ВЫКЛЮЧЕННЫЙ транзистор включается, подтягивая свою базу к высокому уровню с помощью переключателя или с помощью прикладывая к его базе положительный импульс, ограниченный током.

РИСУНОК 16. Бистабильный R-S с ручным запуском и срабатыванием высокого уровня.


Обратите внимание, что когда питание первоначально подается на базовые схемы Рис. 14 16 , выход сначала устанавливается в случайно определенное состояние, которое зависит от относительных характеристик двух транзисторов и связанных с ними пассивных компонентов.

При желании базовая схема может быть настроена на автоматическое переключение в желаемое начальное состояние включения питания путем автоматической подачи подходящего пускового импульса включения на базу одного или другого из двух транзисторов, как показано на Рисунок 17 , на котором изображена базовая схема Рис. 15 Схема изменена (через R7-C1 и токоограничивающий резистор R8) так, что схема автоматически переключается в установленное состояние (высокий выход Q1) при включении питания.

РИСУНОК 17.Схема Basic Figure 15 изменена для обеспечения действия SET при начальном включении питания.


Одно из наиболее полезных применений базового бистабильного мультивибратора — это схема таймера с кнопочным управлением, в которой выходной сигнал автоматически становится высоким при включении питания или при замыкании кнопочного пускового переключателя, но становится низким. снова автоматически после заданной задержки. Рисунок 18 показывает базовую схему Рисунок 17 , модифицированную для обеспечения такого действия. Здесь выход Q1 автоматически становится высоким (через R7-C1 и R8) в момент первоначального включения, тем самым активируя (через эмиттерный повторитель Q3) регулируемый генератор импульсов с задержкой, который автоматически подает импульс сброса на базу Q1 через D1-R9 в конце желаемого периода задержки, тем самым завершая рабочий цикл схемы.

РИСУНОК 18. Базовая схема бистабильного мультивибратора с ручным запуском и автоматическим сбросом по времени.


Наконец, прежде чем покинуть базовую схему бистабильного мультивибратора, обратите внимание, что она может быть изменена путем подключения двух управляющих диодов и связанных компонентов, как показано на рис. состояние каждый раз, когда подается отрицательный пусковой импульс. Схема генерирует пару противофазных выходов, известных как Q и ​​не-Q (обозначены полосой над знаком Q на схеме). На практике значительно улучшенные версии этого типа схемы счета легко доступны в виде КМОП или ТТЛ цифровой ИС.

РИСУНОК 19. Бистабильная схема деления на два.


ТРИГГЕР SCHMITT

Последний представитель семейства мультивибраторов — триггер Шмитта. Это чувствительная к напряжению бистабильная схема переключения, которая меняет свое выходное состояние, когда входной сигнал становится выше или ниже предварительно установленных верхнего и нижнего пороговых уровней; Чтобы завершить обсуждение этого месяца, На рисунке 20 показана простая схема триггера Шмитта, используемая в качестве преобразователя синусоидальной формы сигнала в прямоугольную, которая дает хорошие характеристики до нескольких сотен кГц и требует амплитуды синусоидального входного сигнала не менее 0.5В RMS.

РИСУНОК 20. Преобразователь синус / квадрат Шмитта.


Симметрия выходного сигнала зависит от амплитуды входного сигнала; RV1 следует отрегулировать для получения наилучших результатов. В следующем месяце мы опишем различные схемы звуковых усилителей мощности и связанные с ними устройства. NV


(PDF) Генератор микроволновых хаотических колебаний на основе автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы

1137

ISSN 1064-2269, Journal of Communications Technology and Electronics, 2007, Vol.52, № 10, с. 1137–1145. © Pleiades Publishing, Inc., 2007.

Оригинальный русский текст © A.S. Дмитриев, Е. Ефремова, Н.А.Максимов, Е.В. Григорьева, 2007, опубликовано в Радиотехнике и Электронике, 2007, т. 52, № 10, с. 1232–1240.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие генераторов хаоса является ключевым моментом

в реализации систем беспроводной связи

, использующих хаотические сигналы. Такие генераторы должны обеспечивать желаемые выходные характеристики колебаний

(включая спектральные, автокорреляционные и энергетические характеристики

),

и быть практически осуществимыми для производства и настройки

[1–3].

Для таких приложений, как беспроводные сверхширокополосные

локальные сети связи и сенсорные беспроводные

сверхширокополосные сети, основное требование

, предъявляемое к генератору, заключается в генерации сигнала

в заранее определенной полосе частот с равномерным

.

спектра и определенной спектральной плотности мощности.

Возможность генерации сигнала с предопределенным

оконечным спектром в генераторах хаоса была продемонстрирована для генераторов на основе кольцевых автоколебательных систем.Соответствующая теория генерации спектра хаотического сигнала

развита в [4,

5]. Однако в таких системах используются нелинейные компоненты

, характеристики которых содержат фрагмент с отрицательным наклоном

и буферные каскады между элементами схемы.

Это обстоятельство усложняет схему генератора

и препятствует ее реализации в ВЧ и СВЧ диапазонах

. Генераторы ВЧ и СВЧ хаоса на основе микрополосковой технологии

описаны в [1, 3, 6].

Однако их широкое применение затруднено из-за значительных габаритных размеров

; сложный тюнинг;

и, следовательно, относительно высокая стоимость.

Для разработки компактных СВЧ-устройств

с воспроизводимыми характеристиками и их последующей реализации в виде микрочипов

можно разработать и применить генераторы на сосредоточенных компонентах с биполярными транзисторами

и полевыми транзисторами в качестве активных элементов. Существует несколько причин для применения таких генераторов в системах связи

.В частности, биполярный транзистор транзистора

является типичным широко распространенным электронным компонентом, который легко реализовать в микроволновом диапазоне. Существует несколько низкочастотных транзисторных генераторов

хаотических

колебаний, и некоторые из этих генераторов позволяют управлять формой спектра мощности

[7–11]. В частности, в

в [11] был предложен генератор хаоса на основе одиночного транзистора

и пассивного двухполюсника, включенного в цепь обратной связи

. Показано, что изменение двухпортовых параметров

позволяет формировать

спектр мощности генерируемого сигнала.

В данном исследовании мы предлагаем микроволновый генератор

вышеупомянутого типа на основе автоколебательной системы

с 2,5 степенями свободы. Математическая модель генератора

, которая описывается пятью дифференциальными уравнениями первого порядка

, представлена ​​и рассмотрена в разделе 1, где дополнительно рассматриваются

динамических режимов и явления бифуркации в

. модель.Этот анализ необходим как предварительный этап

для исследования динамических свойств этого генератора

в микроволновом диапазоне.

В разделе 2 анализируются динамические режимы генератора

в микроволновом диапазоне. Отметим, что пересчета

параметров математической модели для этого недостаточно. На высоких частотах все компоненты генератора

(транзисторы, конденсаторы, индуктивности,

,

и резисторы) являются относительно сложными динамическими системами

, которые необходимо соответствующим образом ввести

в модель генератора, чтобы достичь согласия между

поведением эта модель и поведение физического устройства. Кроме того, необходимо учитывать генератор хаотических колебаний СВЧ

на основе

на автоколебательной системе с 2,5 степенями свободы

Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А., Григорьев Е.В.

Поступила в декабре 25, 2006

Abstract

— Предложен СВЧ-генератор хаоса на основе биполярного транзистора. Математическая модель

этого генератора, которая представляет собой автоколебательную систему с 2.Учитывается 5 степеней свободы. Динамика генератора

анализируется с помощью системы Advanced Design System (ADS) с параметрами реального транзистора

, а генератор моделируется с учетом свойств подложки. Результаты моделирования

на основе ADS сравниваются с экспериментальными данными. Показано, что применение пакета моделирования ADS

для анализа генератора с учетом влияния топологии платы и характеристик материалов прототипа позволяет достичь качественного согласия числовых

.

и экспериментальные результаты.

PACS-номера: 05.45.-a, 05.45.Gg

DOI:

10.1134 / S1064226

0105

DYNAMIC CHAOS

IN RADIOPHYSICS AND ELECTRONICS 50007

Bip


Два наиболее широко используемых типа схем транзисторных генераторов сигналов — это типы генераторов, которые генерируют синусоидальные волны и используют транзисторы в качестве линейных усилительных элементов, и типы мультивибраторов, которые генерируют квадратные или прямоугольные формы сигналов и используют транзисторы в качестве цифровых переключающих элементов.

В этом месячном выпуске описываются практические способы использования биполяров в линейном режиме для создания простых, но полезных схем генератора синусоидальной волны и белого шума. В выпуске в следующем месяце серии будут рассмотрены практические мультивибраторы схем генераторов биполярных сигналов.

ОСНОВЫ ОСЦИЛЛЯТОРА

Чтобы генерировать достаточно чистые синусоидальные волны, генератор должен удовлетворять двум основным конструктивным требованиям, как показано на рис. 1 . Во-первых, выходной сигнал усилителя (A1) должен быть подан обратно на его вход через частотно-избирательную сеть (A2) таким образом, чтобы сумма фазовых сдвигов усилителя и цепи обратной связи равнялась нулю градусов (или 360 °) при желаемая частота колебаний, т.е.е., так что x ° + y ° = 0 ° (или 360 °). Таким образом, если усилитель генерирует сдвиг фазы на 180 ° между входом и выходом, частотно-избирательная сеть должна вносить дополнительный сдвиг фазы на 180 °.

РИСУНОК 1. Основная схема и условия, необходимые для генерации синусоидальной волны.


Второе требование состоит в том, что коэффициент усиления усилителя должен точно противодействовать потерям в цепи частотно-избирательной обратной связи на желаемой частоте колебаний, чтобы получить общий коэффициент усиления системы, равный единице, т.е.g., A1 x A2 = 1. Если коэффициент усиления меньше единицы, схема не будет колебаться, а если больше единицы, она будет перегружена и будет генерировать искаженные формы волны. Сеть частотно-избирательной обратной связи обычно состоит из C-R или L-C или кварцевого фильтра; практические схемы генератора, в которых используются частотно-избирательные фильтры C-R, обычно генерируют выходные частоты ниже 500 кГц; те, которые используют частотно-избирательные фильтры L-C, обычно генерируют выходные частоты выше 500 кГц; те, которые используют кварцевые фильтры, генерируют сверхточные частоты сигнала.

ОСЦИЛЛЯТОРЫ C-R

Простейшим синусоидальным генератором C-R является генератор с фазовым сдвигом, который обычно принимает базовую форму, как показано на Рис. 2 . Здесь три идентичных фильтра верхних частот C-R включены в каскад, чтобы создать фильтр третьего порядка, который вставляется между выходом и входом инвертирующего (сдвиг фазы на 180 °) усилителя; фильтр дает полный фазовый сдвиг 180 ° при частоте fo, равной примерно 1 / (14RC), поэтому полная схема имеет сдвиг контура на 360 ° при этом условии и колеблется на fo, если усилитель имеет достаточный коэффициент усиления (примерно x29), чтобы компенсировать потери в фильтре и, таким образом, получить средний коэффициент усиления контура, дробно превышающий единицу.

РИСУНОК 2. Фильтр верхних частот третьего порядка, используемый в качестве основы генератора с фазовым сдвигом.


Обратите внимание на Рисунок 2 , что каждый отдельный каскад фильтра верхних частот C-R имеет тенденцию пропускать высокочастотные сигналы, но отклоняет низкочастотные. Его выходной сигнал уменьшается на 3 дБ при частоте прерывания 1 / (2 RC) и падает на уровне 6 дБ / октаву, когда частота уменьшается ниже этого значения. Таким образом, базовый фильтр 1 кГц дает 12 дБ подавления сигнала 250 Гц и 20 дБ — сигнала 100 Гц.Фазовый угол выходного сигнала опережает входной и равен arctan 1 / (2fCR), или + 45 ° при fc. Каждая ступень C-R известна как фильтр первого порядка. Если несколько (n) таких фильтров подключены каскадом, результирующая схема называется фильтром «n-го порядка» и имеет крутизну, превышающую fc, равную (n x 6 дБ) / октаву.

На рисунке 3 показана схема практического генератора с фазовым сдвигом 800 Гц, который может работать от любого источника постоянного тока в диапазоне от 9 до 18 В. Для первоначальной настройки схемы просто отрегулируйте RV1 так, чтобы схема генерировала достаточно чистый синусоидальный сигнал на выходе, как это видно на осциллографе — выходной уровень сигнала полностью регулируется с помощью RV2.

РИСУНОК 3. Генератор с фазовым сдвигом, 800 Гц.


Основными недостатками простых генераторов со сдвигом фазы типа , рис. 3, являются то, что они имеют довольно низкую внутреннюю стабильность усиления и их рабочую частоту нелегко изменить. Гораздо более универсальный генератор C-R может быть построен с использованием мостовой сети Вина.

На рисунке 4 показаны основные элементы генератора на основе моста Вина. Сеть Вина состоит из R1-C1 и R2-C2, значения которых сбалансированы так, что C1 = C2 = C, а R1 = R2 = R.Фазовые сдвиги этой сети отрицательны на низких частотах, положительны на высоких и равны нулю на центральной частоте 1 / (6,28CR), при которой сеть имеет коэффициент затухания, равный трем. Таким образом, сеть можно заставить колебаться, подключив неинвертирующий усилитель с высоким входным сопротивлением x3 между ее выходными и входными клеммами, как показано на схеме.

РИСУНОК 4. Базовая схема генератора Вина.


На рис. 5 показан простой генератор Вина с фиксированной частотой, в котором Q1 и Q2 подключены как усилители с общим эмиттером с низким коэффициентом усиления.Q2 дает коэффициент усиления по напряжению немного больше единицы и использует резистор цепи Вина R1 в качестве нагрузки коллектора, а Q1 представляет высокий входной импеданс на выходе сети Вина и имеет переменное усиление через RV1. Значения компонентов показывают, что цепь колеблется с частотой около 1 кГц — при использовании RV1 следует отрегулировать так, чтобы генерировалась слегка искаженная синусоидальная волна.

РИСУНОК 5. Практический генератор Вина 1 кГц.


На рисунке 6 показана улучшенная конструкция генератора Вина, потребляющая 1. 8 мА от источника питания 9 В и имеет полностью регулируемую выходную амплитуду до 6 В от пика к пику через RV2. Q1-Q2 — это пара комплементарного общего эмиттера с прямой связью, обеспечивающая очень высокий входной импеданс для базы Q1, низкий выходной импеданс коллектора Q2 и неинвертированный коэффициент усиления по напряжению от x5,5 постоянного тока и от x1 до x5,5. AC (переменная через RV1). Красный светодиод генерирует 1,5 В с низким импедансом, которые поступают на базу Q1 через R2 и, следовательно, смещают выход Q2 до значения покоя + 5 В. Сеть Wien R1-C1 и R2-C2 подключена между выходом Q2 и входом Q1, и при использовании RV1 просто настраивается так, чтобы при просмотре выходного сигнала схемы на осциллографе генерировалась стабильная и визуально чистая форма сигнала.В этом случае амплитуда колебаний ограничена на уровне примерно 6 В от пика до пика из-за начала ограничения положительного пика, когда усилитель начинает работать в режиме насыщения. Если RV1 тщательно отрегулирован, это ограничение может быть уменьшено до почти незаметного уровня, что позволяет генерировать синусоидальные волны хорошего качества с коэффициентом нелинейных искажений менее 0,5%.

РИСУНОК 6. Мостовой синусоидальный генератор Вина, 1 кГц, с выходом переменной амплитуды.


Цепь , рис. 6, может быть изменена для работы в ограниченном диапазоне частот с переменной частотой, уменьшив значения R1 и R2 до 4.7 кОм и соединить их последовательно с объединенными переменными резисторами 10 кОм. Обратите внимание, однако, что генераторы Вина с переменной частотой лучше всего строить с использованием операционных усилителей или других линейных ИС в сочетании с системами обратной связи с автоматическим регулированием усиления, с использованием различных стандартных схем этого типа, которые были опубликованы в предыдущих выпусках этого журнала. .

ОСЦИЛЛЯТОРЫ L-C

Синусоидальные генераторы

C-R обычно генерируют сигналы в диапазоне от 5 Гц до 500 кГц. Генераторы L-C обычно генерируют их в диапазоне от 5 кГц до 500 МГц и состоят из частотно-избирательной цепи L-C, которая подключена к петле обратной связи усилителя.

Самым простым генератором на L-C транзисторах является генератор обратной связи с настроенным коллектором, показанный на рис. 7 . Q1 подключен как усилитель с общим эмиттером, с базовым смещением, обеспечиваемым через R1-R2, и с эмиттерным резистором R3, развязанным по переменному току через C2. L1-C1 формирует настроенную коллекторную цепь, а обратная связь коллектор-база обеспечивается через L2, который индуктивно связан с L1 и обеспечивает действие трансформатора. Выбирая фазу этого сигнала обратной связи, можно сделать так, чтобы схема давала нулевой фазовый сдвиг контура на настроенной частоте, так что она колеблется, если коэффициент усиления контура (определяемый отношением витков T1) больше единицы.

РИСУНОК 7. Настроенный коллекторный осциллятор обратной связи.


Особенностью любой настроенной цепи L-C является то, что фазовое соотношение между ее током включения и индуцированным напряжением изменяется от -90 ° до + 90 ° и равно нулю на центральной частоте, определяемой соотношением f = 1 / (2 LC). Таким образом, схема (рис. 7) дает нулевой общий фазовый сдвиг и колеблется на этой центральной частоте. С показанными значениями компонентов частота может быть изменена от 1 МГц до 2 МГц через C1.Эта базовая схема может быть спроектирована для работы на частотах от нескольких десятков Гц с использованием многослойного трансформатора с железным сердечником до десятков или сотен МГц с использованием радиочастотных технологий.

ВАРИАНТЫ ЦЕПИ

Рисунок 8 показывает простой вариант конструкции Рисунок 7 — генератор Хартли. Его коллекторная нагрузка L1 отводится примерно на 20% вниз от его верха, и положительная шина питания подсоединяется к этой точке; Таким образом, L1 обеспечивает действие автотрансформатора, в котором напряжение сигнала наверху L1 сдвинуто по фазе на 180 ° с напряжением на его нижнем (коллектор Q1) конце.Сигнал с верхней части катушки подается на базу Q1 через C2, и, таким образом, схема колеблется с частотой, установленной значениями L-C.

РИСУНОК 8. Базовый генератор Хартли.


Отметьте из вышеприведенного описания, что действие генератора зависит от некоторого вида точки отвода общего сигнала, выполненной в настроенной цепи, так что достигается действие автотрансформатора с разделением фаз. Эта точка ответвления не обязательно должна быть превращена в настоящую катушку настройки, но может быть преобразована в конденсатор настройки, как в схеме генератора Колпитца, показанной на , рис. 9, .С показанными значениями компонентов эта конкретная схема колеблется примерно на 37 кГц.

РИСУНОК 9. Генератор Колпитца 37 кГц.


Модификация конструкции Колпитта, известная как осциллятор Клаппа или Гурье, показана на рис. 10 . C3 подключен последовательно с L1 и имеет небольшое значение по сравнению с C1 и C2. Следовательно, резонансная частота схемы устанавливается в основном L1 и C3 и почти не зависит от изменений емкости транзисторов и т. Д.Таким образом, схема обеспечивает отличную стабильность частоты. При показанных значениях компонентов он колеблется с частотой около 80 кГц.

РИСУНОК 10. Генератор Гурье или Клаппа, 80 кГц.


На рисунке 11 показан генератор Рейнарца, в котором катушка настройки имеет три индуктивно связанных обмотки. Положительная обратная связь достигается путем соединения сигналов коллектора и эмиттера транзистора через обмотки L1 и L2. Обе эти индуктивности подключены к L3, и цепь колеблется с частотой, определяемой L3-C1.На диаграмме показаны типичные отношения витков катушки для цепи, колеблющейся с частотой несколько сотен кГц.

РИСУНОК 11. Базовый осциллятор Рейнарца.


Наконец, . На рисунках 12, и , 13, показаны версии генераторов Хартли и Колпитца с эмиттерным повторителем. В этих схемах транзисторы и настроенные схемы L1-C1 дают нулевой фазовый сдвиг на частоте колебаний, а настроенная схема дает усиление по напряжению, необходимое для обеспечения колебаний.

РИСУНОК 12. Версия генератора Хартли с эмиттерным повторителем.


РИСУНОК 13. Версия генератора Колпитца с эмиттерным повторителем.


МОДУЛЯЦИЯ

Цепи генератора L-C в Рисунки 7 от до 13 можно легко модифицировать для получения модулированных (AM или FM), а не непрерывных (CW) выходных сигналов. Рисунок 14 , например, показывает схему Рисунок 7, модифицированную для работы в качестве генератора частоты биений (BFO) 456 кГц с функцией амплитудной модуляции (AM).Стандартный транзисторный трансформатор промежуточной частоты 465 кГц (T1) используется в качестве настраиваемой схемы L-C, а внешний сигнал AF может подаваться на эмиттер Q1 через C2, таким образом эффективно модулируя напряжение питания Q1 и тем самым модулируя амплитуду несущего сигнала 465 кГц. Схема может использоваться для создания глубины модуляции примерно до 40%. C1 имеет низкий импеданс для несущей 465 кГц, но высокий импеданс для сигнала модуляции AF.

РИСУНОК 14. BFO 465 кГц с функцией AM.


На рисунке 15 показана приведенная выше схема, модифицированная для обеспечения возможности частотной модуляции (ЧМ) вместе с настройкой варактора через RV1. Кремниевый диод 1N4001 D1 используется в качестве недорогого варакторного диода, который при обратном смещении (как неотъемлемая часть его основного действия кремниевого диода) по своей сути демонстрирует емкость (в несколько десятков пФ), которая уменьшается с приложенным обратным напряжением. D1 и блокирующий конденсатор C2 подключены последовательно и эффективно подключены через настроенную схему T1 (поскольку шины питания схемы закорочены вместе, что касается сигналов переменного тока).

РИСУНОК 15. BFO 465 кГц с варакторной настройкой и функцией FM.


Следовательно, центральная частота генератора может быть изменена путем изменения емкости D1 через RV1, а FM-сигналы могут быть получены путем подачи сигнала модуляции AF на D1 через C3 и R4.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ

Генераторы с кварцевым управлением обеспечивают превосходную точность и стабильность частоты. Кристаллы кварца имеют типичные значения добротности около 100 000 и обеспечивают примерно в 1000 раз большую стабильность, чем обычная схема с регулировкой L-C.Их рабочая частота (которая может варьироваться от нескольких кГц до 100 МГц) определяется механическими размерами кристалла, который можно разрезать для обеспечения последовательной или параллельной резонансной работы. Устройства с последовательным режимом демонстрируют низкий импеданс в резонансе — устройства с параллельным режимом демонстрируют высокий импеданс в резонансе.

На рисунке 16 показан кварцевый генератор с широким диапазоном, предназначенный для использования с кристаллом параллельного режима. Фактически это схема генератора Пирса, и ее можно использовать практически с любым исправным кристаллом параллельного режима от 100 кГц до 5 МГц без необходимости модификации схемы.

РИСУНОК 16. Широкодиапазонный генератор Пирса использует кристалл параллельного режима.


В качестве альтернативы, На рисунке 17 показан генератор Колпитца 100 кГц, предназначенный для использования с кристаллом последовательного режима. Обратите внимание, что настроенная схема L1-C1-C2 предназначена для резонанса на той же частоте, что и кристалл, и что значения ее компонентов должны быть изменены, если используются другие частоты кристалла.

РИСУНОК 17. Генератор Колпитца 100 кГц использует кристалл последовательного режима.


Наконец, На рисунке 18 показан исключительно полезный двухтранзисторный генератор, который можно использовать с любым последовательно-резонансным кристаллом от 50 кГц до 10 МГц. Q1 подключен как усилитель с общей базой, а Q2 — как эмиттерный повторитель, а выходной сигнал (от эмиттера Q2) подается обратно на вход (эмиттер Q1) через C2 и последовательно-резонансный кристалл. Эта превосходная схема будет колебаться с любым кристаллом, показывающим малейшие признаки жизни.

РИСУНОК 18.Генератор с широким диапазоном (50 кГц — 10 МГц) может использоваться практически с любым кристаллом последовательного режима.


БЕЛЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ШУМА

Одна полезная линейная, но несинусоидальная форма волны известна как белый шум, который содержит полный спектр случайно сгенерированных частот, каждая из которых имеет одинаковую среднюю мощность при усреднении за единицу времени. Белый шум имеет важное значение при тестировании усилителей AF и RF и широко используется в системах звуковых генераторов со спецэффектами.

На рисунке 19 показан простой генератор белого шума, основанный на том факте, что все стабилитроны генерируют значительный белый шум при работе с низким током.R2 и ZD1 подключены в петле отрицательной обратной связи между коллектором и базой усилителя с общим эмиттером Q1, таким образом стабилизируя рабочие уровни постоянного тока схемы, а петля развязана по переменному току через C1. Таким образом, ZD1 действует как источник белого шума, который соединен последовательно с базой Q1, который усиливает шум до полезного уровня примерно 1,0 вольт, от пика до пика. В этой схеме можно использовать любой стабилитрон от 5,6 до 12 В.

РИСУНОК 19. Генератор белого шума на транзисторе-стабилитроне .


РИСУНОК 20. Двухтранзисторный генератор белого шума.


Рисунок 20 представляет собой простую вариацию вышеупомянутой конструкции с обратносмещенным переходом база-эмиттер транзистора 2N3904 (который «стабилитрон» составляет около 6 В), используемым в качестве генерирующего шум стабилитрона. NV


MOSFET — вопросы об автоколебательном инверторе

Я занимаюсь поиском хорошего (и простого) драйвера для высоковольтного трансформатора и нашел в Интернете эту очень простую и элегантную схему:

В нем используется обмотка обратной связи для попеременного включения транзисторов. Я собрал его, и он работает очень хорошо, но позже я попытался заменить биполярные транзисторы на МОП-транзисторы, чтобы поэкспериментировать.

Результат был ужасен, красивый синусоидальный выходной сигнал, который я получаю от биполярных транзисторов, превращается в очень неустойчивый и деформированный сигнал при использовании МОП-транзисторов. Потребление тока сильно увеличилось, а вторичное напряжение было намного меньше, эффективность упала намного (в 10 раз).

У меня вопрос: можно ли использовать МОП-транзисторы в этой конфигурации? Является ли искажение результатом неправильного выбора МОП-транзисторов? Могу ли я изменить R1, R2 или C1 на другие значения, чтобы они работали с МОП-транзисторами?

Или МОП-транзисторы просто несовместимы с этой автоколебательной конфигурацией?

ОБНОВЛЕНИЕ: Я забыл добавить, что беспорядочные колебания с МОП-транзисторами произошли только после того, как я изменил размещение R1 и R2: я подключил их между воротами и GND, а не воротами с Vcc, как на схемах. Простая замена биполярных транзисторов на МОП-транзисторы в приведенной выше схеме привела к отсутствию генерации вообще, поскольку затворы были привязаны непосредственно к Vcc, в результате чего оба МОП-транзистора постоянно проводили ток.

Итак, описание беспорядочных колебаний МОП-транзистора в исходном вопросе относится к схеме с этой модификацией: резисторы между затворами и заземлением.

ОБНОВЛЕНИЕ 2: Благодаря ответу Энди я понял то, что может быть очевидным для более опытных: резистор просто смещает базу в состояние проводимости, поэтому обмотка обратной связи может заставить транзистор отключать отрицательные импульсы.Я применил ту же логику к версии mosfet, смещая затвор на Vgs (th) (порог напряжения затвора), и он работает.

Однако эта схема не так эффективна, как схема, использующая активный генератор и драйвер, что гарантирует короткое время нарастания и спада, а транзистор (BJT или FET) не будет ускорять время в своей линейной области.

Разработка и реализация высоковольтного генератора с контролем выходного напряжения для транспортных средств с амортизаторами ER

Предлагается автоколебательный высоковольтный генератор для подачи напряжения в систему подвески с целью управления демпфирующей силой электрореологического (ER) жидкостный амортизатор.Регулируя уровень выходного напряжения генератора, можно немедленно отрегулировать демпфирующую силу в гидравлическом амортизаторе ER. Амортизатор является частью системы подвески. Генератор высокого напряжения управляет силовым транзистором на основе автоколебаний, который преобразует постоянный ток в переменный. Для увеличения напряжения используется высокочастотный трансформатор с большим числом витков. Кроме того, система использует автомобильный аккумулятор в качестве источника постоянного тока. Регулируя рабочий цикл главного переключателя в понижающем преобразователе, выходное напряжение понижающего преобразователя можно линейно регулировать, чтобы получить определенное высокое напряжение для ER. Приводная система самовозбуждается; то есть не требуется никакой дополнительной внешней схемы управления. Таким образом, это снижает стоимость и упрощает структуру системы. Опытный образец фактического продукта изучается для измерения и оценки ключевых форм сигналов. Реализуемость предложенной системы проверена на основании экспериментальных результатов.

1. Введение

В системе подвески транспортного средства система амортизации устанавливается между кареткой и шинами. Амортизатор в основном состоит из пружин и амортизатора.Когда автомобиль движется по неровной дороге, пружины обеспечивают опору между кареткой и шинами. Амортизатор снижает энергию колебаний пружин и предотвращает передачу энергии, создаваемой вертикальными колебаниями, на каретку. Это улучшает стабильность и комфорт во время езды. У амортизатора с разными коэффициентами демпфирования есть свои преимущества и недостатки. Если коэффициент демпфирования высокий, то при управлении автомобилем и его повороте предлагается больше защиты; однако при более низком коэффициенте демпфирования пассажирам обеспечивается больший комфорт. Если амортизатор может непрерывно регулировать демпфирующую силу, оптимальная подвеска может быть достигнута при движении автомобиля.

Для повышения устойчивости при движении крупные автомобильные компании в настоящее время используют методы, в том числе газовые пружины, управляемые микрокомпьютерами, цифровые системы управления или систему активного контроля давления масла, для создания регулируемых систем подвески для различных дорожных условий. Структура системы и механизм управления могут быть довольно сложными. Для преодоления указанных недостатков в качестве рабочей жидкости в амортизаторах используются электрореологические (ЭР) жидкости [1–3].Напряженность электрического поля используется для управления поведением жидкости ER, а также для регулировки коэффициента демпфирования в амортизаторе [4–7]. Это простой метод. Жидкости ER состоят из электрически поляризуемых взвешенных частиц. Жидкости для суспензий могут быть изготовлены из различных материалов: силиконового масла, охлаждающего масла, керосина и т. Д. Взвешенные частицы могут включать макромолекулярные материалы, такие как ионообменная смола, крахмал и гранулы микроволокна. Когда происходят изменения внешнего электрического поля, жидкости ER могут переходить из жидкого состояния в твердое в течение нескольких миллисекунд.Процесс трансформации обратим. Жидкости ER могут применяться в сцеплениях, гидравлических насосах, роботизированных манипуляторах, демпфере колебаний и т.д.

Импульсные преобразователи мощности широко используются для обработки электроэнергии. Например, понижающий тип используется для понижения входного напряжения [10–13], а двухтактная конфигурация подходит для приложений постоянного / переменного тока [14–19]. В нашем исследовании мы используем самовозбуждающийся высоковольтный генератор для создания постоянного электрического поля высокого напряжения для управления физическими свойствами жидкостей ER.Источником питания постоянного тока для высоковольтного генератора служит автомобильный аккумулятор. Как указывалось ранее, внешний источник постоянного тока не требуется. Кроме того, понижающий преобразователь постоянного / постоянного тока используется для регулировки входного уровня постоянного тока для генератора высокого напряжения. Это заменяет обычный линейный источник питания. Предлагаемый амортизатор с высоковольтным генератором имеет следующие преимущества: низкая стоимость, простая конструкция, линейное управление и высокий КПД по преобразованию мощности.

2. Структура системы

Схема системы предлагаемого самовозбуждающегося высоковольтного генератора для амортизаторов с жидкостями ER показана на рисунке 1.В основном это автомобильный аккумулятор, контроллер уровня напряжения, самовозбуждающийся усилитель колебательного напряжения, умножитель напряжения и амортизатор с жидкостями ER. Контроллер уровня напряжения преобразует напряжение автомобильного аккумулятора в регулируемом диапазоне выходных напряжений от 0 до 12 вольт. В нашем исследовании используется понижающий преобразователь. Бустер самовозбуждающего колебательного напряжения имеет структуру двухтактного преобразователя. Он принимает постоянное напряжение от понижающего преобразователя и управляет силовым транзистором с помощью автоколебаний.Таким образом, постоянное напряжение преобразуется в переменное. Затем для увеличения напряжения используется высокочастотный трансформатор. Умножитель напряжения вместо усилителя напряжения активного типа, чтобы уменьшить стоимость и объем [20, 21], преобразует переменный ток от высокочастотного трансформатора в постоянный потенциал. Затем выходное напряжение умножителя напряжения подается на амортизатор. Основная силовая схема предлагаемого высоковольтного генератора представлена ​​на рисунке 2.



3.Принцип работы

Как показано на рисунке 2, контроллер уровня напряжения понижающего типа снижает напряжение на 12 вольт от автомобильного аккумулятора до желаемого уровня, управляя продолжительностью включения компонента переключателя активной мощности,. Используя критерий вольт-секундного баланса при работе в установившемся режиме, соотношение между входным напряжением понижающего преобразователя и выходным напряжением (напряжение на конденсаторе) может быть получено следующим образом: где — рабочий цикл переключения. Из (1) видно, что напряжение на нем можно изменять, управляя рабочим циклом переключения.Это, в свою очередь, регулирует напряженность электрического поля амортизатора ER. Как показано на рисунке 3, обратная связь сигналы от системы подвески определения опорных входного напряжения самовозбуждения усилителя осциллирующего напряжения,. Затем мы сравниваем опорное напряжение с фактическим напряжением. Увеличив погрешности, мы можем получить управляющий сигнал. Этот управляющий сигнал сравнивается с пилообразным сигналом для определения управляющего сигнала для активного переключателя. Если мы предположим, что пиковое значение пилообразного сигнала равно, то Поскольку и постоянны, из (2) видно, что и пропорциональны друг другу.В контроллере уровня напряжения пульсации напряжения возникают при переключении активного переключателя. Если пульсации напряжения слишком велики, произойдет значительное воздействие на высоковольтный генератор. Следовательно, частота переключения регулятора уровня напряжения должна быть намного больше, чем частота колебаний автогенератора. Кроме того, должно быть больше, чем определяется


Самовозбуждающийся высоковольтный генератор состоит из двух частей: самовозбуждающего усилителя колебательного напряжения и умножителя напряжения.Бустер самовозбуждающегося колебательного напряжения основан на резонансном генераторе Ройера [22]. Благодаря наличию в трансформаторе насыщения железом, он поочередно управляет двумя силовыми транзисторами и преобразует постоянный ток в переменный. Затем, с помощью трансформатора с высоким коэффициентом передачи, усилитель увеличивает напряжение. Умножитель напряжения преобразует вторичное выходное напряжение трансформатора в постоянное напряжение и поднимает напряжение до высокого уровня. Напряжение высокого уровня передается через электрические полюса на амортизатор.Время, в течение которого оба и проводят одновременно, очень мало и ничтожно мало. Таким образом, самовозбуждающийся высоковольтный генератор можно разделить на следующие два основных режима работы.

Режим 1 []. Транзистор включен и выключен. Напряжение на « равно нулю. Катушки индуктивности и резонансные. Напряжение — синусоидальная волна. Выходное напряжение высокочастотного генератора представляет собой отрицательную полуволну.

Режим 2 []. Насыщается высокочастотный трансформатор.Катушка управляет транзистором, но выключена. Напряжение на « равно нулю. Индуктивность высокочастотного трансформатора резонирует с конденсаторами, и. Напряжение на нем представляет собой синусоидальную волну. Выходное напряжение высокочастотного генератора представляет собой положительную полуволну.

По принципу работы предлагаемого высоковольтного генератора вторичный ток можно выразить как куда В (7) обозначает намагничивающую индуктивность, направленную во вторичную обмотку высокочастотного трансформатора.На рис. 4 показаны соответствующие формы сигналов для рабочего режима 1 и рабочего режима 2, включая токи базы транзистора и, токи коллектор-эмиттер и, а также напряжения коллектор-эмиттер и.


4. Экспериментальный результат

Прототип построен для оценки осуществимости предложенной конструкции. Соответствующие данные и формы сигналов измеряются и оцениваются. Чтобы избежать скин-эффекта, который вызывает повышение температуры в высокочастотном трансформаторе, а также в окружающих его компонентах, используется многопроволочный трансформатор для снижения рабочей температуры и увеличения токовой нагрузки.Кроме того, если количество витков обмотки трансформатора увеличится, сопротивление провода трансформатора увеличится, что приведет к увеличению температуры трансформатора. Этого также можно избежать, используя трансформатор с многопроволочной обмоткой.

Чтобы убедиться, что выходное напряжение контроллера уровня напряжения можно линейно регулировать, управляя скважностью активного переключателя, измеряется соотношение между скважностью и выходным напряжением, которое показано на рисунке 5. Это может быть заметил, что мы можем линейно регулировать выходное напряжение, изменяя рабочий цикл. На рисунке 6 показана взаимосвязь между демпфирующей силой в амортизаторе с жидкостями ER и напряженностью электрического поля. Соответствующие желаемые напряжения на электрических полюсах составляют от 0 до 4 кВ. На рис. 7 показан динамический отклик при изменении напряжения на электрических полюсах амортизатора от 0 до 4 кВ. При изменении с 4 кВ на 0 В на рисунке 8 показан соответствующий ответ. Из рисунков 7 и 8 видно, что самовозбуждающийся высоковольтный генератор, предложенный в этом исследовании, может быстро повышать или понижать напряжение, обеспечивая систему подвески с требуемой демпфирующей силой.На рисунке 9 показано соотношение между входным напряжением и выходным напряжением самовозбуждающегося генератора высокого напряжения. Он показывает, что напряжение питания на амортизаторе ER можно линейно изменять, регулируя входное напряжение.






5. Заключение

Драйвер ER-абсорбера традиционно выполняется от линейного источника питания, который имеет очевидные недостатки — низкий КПД, большой объем и большой вес. В этой статье метод переключения режимов применяется к конструкции драйвера ER и предлагается двухтактный высоковольтный генератор с самовозбуждением. В предлагаемом драйвере ER может быть получено управляемое выходное напряжение для управления демпфирующей силой в амортизаторе. Генератор высокого напряжения питается от автомобильного аккумулятора. То есть никакого дополнительного источника питания постоянного тока не требуется. Понижающий преобразователь используется для управления уровнем входного постоянного тока усилителя напряжения. Управляя продолжительностью включения понижающего преобразователя, мы можем получить высокое выходное напряжение, пропорциональное продолжительности включения, что упрощает механизм управления напряжением.Предлагаемая система имеет основные преимущества: простая конструкция, низкая стоимость, простота управления, высокая надежность и быстрое реагирование, а также компактность. Создан аппаратный прототип, чтобы проверить возможность использования предлагаемого высоковольтного драйвера ER.

Методики проектирования и анализа устойчивости нелинейных схем с переключением режимов: усилители мощности и генераторы

Abstract

Представлена ​​методика расчета усилителей мощности с переключением уровня мощности в кВт.Несколько двухтактных пар, независимо настроенных на класс E / Fodd, объединены распределенным активным трансформатором. Условие переключения при нулевом напряжении (ZVS) исследуется и модифицируется для усилителя класса E / Fodd с неидеальным выходным трансформатором. Все элементы с сосредоточенными параметрами, включая DAT, корпус транзисторов и сеть распределения входной мощности, моделируются и оптимизируются для достижения состояния ZVS и высокой эффективности стока. По методике реализованы два усилителя мощности на частоте 29 МГц.Усилитель с двумя комбинированными двухтактными парами имеет выходную мощность 1,5 кВт, эффективность стока 85% и усиление 18 дБ. Когда объединены четыре двухтактных пары, достигается выходная мощность 2,7 кВт с КПД стока 79% и усилением 18 дБ.

Для прогнозирования и устранения нестабильности усилителей мощности используются методы нелинейного анализа устойчивости, основанные на вспомогательном генераторе и идентификации нулевого полюса. Эти методы применяются к двум усилителям мощности с переключаемым режимом, которые демонстрировали различные нестабильности во время измерений.Автоколебания, хаос и гистерезис усилителя класса E / Фодда с распределенным активным трансформатором исследуются средствами анализа устойчивости и бифуркации. Также проводится углубленный анализ механизма колебаний, который позволяет эффективно определять топологию и местоположение необходимой глобальной сети стабилизации. Как и в другом приложении, подробно анализируется аномальное поведение, наблюдаемое в усилителе мощности класса E. Это связано с гистерезисом кривой передачи мощности, автоколебаниями, гармонической синхронизацией и зашумленными предвестниками.Для корректировки характеристик усилителя предлагается новый метод устранения гистерезиса, основанный на обнаружении бифуркаций посредством однократного моделирования в программном обеспечении гармонического баланса. Кроме того, исследуются характеристики схем, которые делают зашумленные предвестники наблюдаемыми в практических схемах, и разрабатывается метод их устранения из выходного спектра усилителя. Вся стабилизация и коррекция усилителей подтверждены экспериментально.

Представлен простой нелинейный метод создания высокоэффективных и мощных импульсных генераторов.Он сочетает в себе существующие квазинелинейные методы и использование вспомогательного генератора для гармонического баланса. Вспомогательный генератор позволяет оптимизировать генератор для достижения высокой выходной мощности и эффективности преобразования постоянного тока в ВЧ без влияния на частоту колебаний. Это также требует достаточной мощности для транзистора, чтобы обеспечить работу в режиме переключения с высокой эффективностью. Условия запуска колебаний и устойчивость установившегося состояния анализируются с помощью метода идентификации полюс-ноль.Также исследуется влияние смещения затвора на выходную мощность, эффективность и стабильность. По предложенной методике демонстрируется генератор класса E. Генератор демонстрирует мощность 75 Вт при КПД 67% на частоте 410 МГц.

88 Доступность диссертации
Тип позиции: Диссертация (Диссертация (Ph.D.))
Ключевые слова темы: бифуркация; осцилляторы; усилители мощности; стабильность
Учредитель степени: Калифорнийский технологический институт
Подразделение: Инженерное дело и прикладные науки
Основной вариант: Электротехника
)
Научный консультант:
Тезисный комитет:
  • Рутледж, Дэвид Б.(председатель)
  • Хадзимири, Али
  • Стэнсил, Дэниел Д.
  • Дойл, Джон Комсток
  • Вайнреб, Сандер
Дата защиты: 6 марта 2006 г. sgjeon (AT) korea.ac.kr
Номер записи: CaltechETD: etd-03242006-132815
Постоянный URL-адрес: https://resolver.caldtech.edu 03242006-132815
DOI: 10.7907 / V4YT-YM88
ORCID:
Политика использования по умолчанию: Никаких прав на коммерческое воспроизведение, распространение, отображение или исполнение данной работы не предоставляется.
Идентификационный код: 1098
Коллекция: CaltechTHESIS
Депозит: Импортировано из ETD-db
Депонировано на: 30 марта 2006 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *