Режими самозбудження генератора. Особливості м'якого і жорсткого режимів самозбудження М'яке і тверде самозбудження автогенератора

Гідність м'якого режиму - зручність в експлуатації, так як коливання виникають автоматично відразу після включення джерела живлення. Недолік м'якого режиму - низький ККД вихідний ланцюга, так як автогенератор в сталому режимі працює коливаннями першого роду.

При жорсткому режимі самозбудження ККД вихідний ланцюга високий, але в експлуатації незручність: для збудження генератора потрібно мати ще один автогенератор, щоб запустити працюючий коливаннями другого роду.

Об'єднати достоїнства обох режимів самозбудження - зручність в експлуатації з високим ККД - і позбутися від недоліків можна схемним рішенням: застосувати в схемі автогенератора автоматичний зсув, як показано на рис.

У цій схемі в момент включення вихідна робоча точка на прохідній характеристиці транзистора напругою з дільника R1R2 встановлюється на середині характеристики. Коливання виникають м'яко, в режимі коливань першого роду, т. Е. Від нуля. У міру наростання амплітуди коливань збільшується амплітуда вихідного струму, який створює на резисторі R3 напруга зсуву, що зрушує робочу точку вліво в область відсічення, як показано на рис. 2.10, а. Таким чином, коливання виникають автоматично, а в сталому режимі автогенератор працює коливаннями другого роду з високим ККД.

Нахил колебательной характеристики визначається значенням коефіцієнта зворотнього зв'язкуКо.с. На рис. 2.12 показано положення лінії зворотного зв'язку при різних коефіцієнтах зворотного зв'язку.

Тут видно, що зі зменшенням зворотного зв'язку амплітуда сталих коливань зменшується Uуст2

4 Переривчаста генерація

переривчаста генерація. Положення робочої точки в сталому режимі визначає режим роботи транзистора, а отже, і параметри автогенератора. А для встановлення робочої точки в задане положення необхідно правильно вибрати елементи зсуву R3C3. Якщо ж опір автосмещенія вибрати більше необхідного, то напруга зміщення збільшиться і змістить робочу точку ще далі вліво в області відсічення (рис. 2.13).

Амплітуда колекторного струму зменшиться і виявиться недостатньою для підтримки коливань, вони припиняться.

Після припинення коливань в контурі транзистор виявляється закритим, колекторний струм не протікає. У закритому стані транзистор утримується напругою на конденсаторі Се, прикладеним між базою і емітером. Під час генерації конденсатор зарядився зміттерним струмом. Після припинення коливань цього струму немає і конденсатор НЕ заряджається, а, навпаки, починає розряджатися через резистор R3. Напруга зсуву спадає по експоненті (ділянка 2-3 на рис. 2.1З). Робоча точка на характеристиці транзистора зміщується вправо. У той момент, коли робоча точка виявиться на такій ділянці характеристики, що колекторний струм виявиться достатнім для заповнення всіх втрат в контурі, т. Е. Буде виконуватися баланс.амплітуд, коливання виникнуть знову. Вони будуть наростати і знову зірвуться. Таким чином, процес виникнення, наростання і зриву коливань буде повторюватися. Автогенератор буде працювати в режимі переривчастої генерації. На виході виходять радіоімпульси, період повторення яких визначається параметрами RеСе. Переривчаста генерація використовується для отримання радиоимпульсов.

Автогенератор, в залежності від умов, може працювати в м'якому або жорсткому режимі самозбудження. Для розкриття особливостей цих режимів самозбудження зручно спільно розглядати амплитудную характеристику підсилювача з ланцюгом ООС (власне підсилювач), яка завжди має нелінійність, і амплитудную характеристику петлі позитивної ОС, яка є лінійною (ланцюг зворотного зв'язку є лінійним чотириполюсником).

На рис. 3.2, апредставлена ​​типова амплітудна характеристика нелінійного власне підсилювача.

При малих вхідних сигналах вихідний сигнал змінюється пропорційно вхідному (підсилювач має постійний коефіцієнт посилення, рівний тангенсу кута нахилу АХ до осі абсцис), при великих вхідних сигналах зазначена пропорційність порушується (коефіцієнт посилення підсилювача залежить від амплітуди вхідного сигналу). Лінія зворотного зв'язку є прямою, проведеної під кутом до осі абсцис, так як між вихідною напругою і напругою ОС спостерігається лінійна залежність.

У момент включення живлення автогенератора на вході підсилювача діє шум, який має широкий спектр частотних складових, в тому числі складову, частота якої відповідає резонансній частоті виборчої системи. Слід зазначити, що інші спектральні складові шуму будуть придушені в тій чи іншій мірі виборчою системою. На виході підсилювача після посилення в Дораз з'явиться вихідний сигнал, який після ослаблення ланцюгом ПОС в раз надходить на вхід підсилювача у вигляді напруги. Процес буде протікати до тих пір, поки амплітуда вихідного коливання не досягне стаціонарного значення (буде виконана умова балансу амплітуд).

З рис. 3.2, авидно:

крапка Ає точкою стійкої рівноваги;

генерація можлива лише за таких умов, коли лінія зворотного зв'язку перетинає амплитудную характеристику підсилювача, що відповідає виконанню умови.

Розглянутий вище режим самозбудження автогенератора називається м'яким.Для його забезпечення необхідно, щоб АХ підсилювача виходила з нуля і мала б на початку координат лінійний ділянку з достатнім кутом нахилу до осі абсцис.

М'який режим самозбудження генератора характеризується наступними особливостями:

§ АХ підсилювача і пряма зворотного зв'язку перетинаються тільки в одній точці, яка є точкою динамічної рівноваги;

§ коливання, якщо змінювати коефіцієнт ПОС β , Виникають (припиняються) при одному і тому ж коефіцієнті ПОС;

§ при для збудження автогенератора не потрібно зовнішніх впливів;

§ при м'якому режимі самозбудження генератора існує можливість установки заданої амплітуди коливань шляхом підбору коефіцієнта ПОС.

Разом з тим слід зазначити, що м'який режим роботи автогенератора економічно невигідний, так як автогенератор працює в лінійному режимі і його к.к.д. не перевищує 50%.

Незважаючи на зазначений недолік, м'який режим самозбудження є основним режимом роботи автогенераторів.

Процес збудження коливань відбувається інакше, якщо підсилювач має S- образну АХ (рис.3.2, б). При установці коефіцієнта ПОС β < β 2 АХ підсилювача і лінія ПОС не має точок перетину. Це означає, що коефіцієнт ПОС малий, і автогенератор не порушують.

При установці коефіцієнта ПОС β 1 < β < β 2 АХ підсилювача і лінія ПОС має дві точки перетину Аі З. Це означає, що умова балансу амплітуд виконується для двох значень амплітуди коливань автогенератора.

Крапка Зхарактеризує нестійкий стан автогенератора. Нехай в деякий момент часу амплітуда на виході генератора відповідає точці З, При цьому коефіцієнт посилення власне підсилювача дорівнює ДоС. Припустимо, що під дією зовнішнього чинника амплітуда коливань зменшилася. Це призведе до зменшення сигналу на вході генератора, так як UВХ = Β · UВИХІД, і викличе подальше зменшення амплітуди вихідних коливань, оскільки коефіцієнт посилення підсилювача Доменше ніж ДоЗ . Результатом зовнішнього впливу в даному випадку буде зрив коливань. Навпаки, якщо під дією зовнішнього чинника амплітуда коливань збільшиться, то зросте і сигнал на вході. Це викличе подальше збільшення амплітуди вихідних коливань, яке буде відбуватися до тих пір, поки система не перейде в стаціонарний стан .

Крапка Ахарактеризує стійке (стаціонарне) стан автогенератора, при цьому коефіцієнт посилення власне підсилювача дорівнює До А. Припустимо, що під дією зовнішнього чинника амплітуда коливань, відповідна точці А, Зменшилася. Це призведе до зменшення сигналу на вході генератора, так як UВХ = Β UВИХІД. Однак, оскільки коефіцієнт посилення підсилювача Дов даному випадку більше ДоА, вхідний сигнал отримає більше посилення і амплітуда вихідного сигналу зросте і знову буде відповідати точці А.

Очевидно, що для запуску автогенератора амплітуда збудливого впливу повинна перевищити значення амплітуди вхідного сигналу, що відповідає точці З. Розглянутий режим збудження автогенератора називається жорстким.

У разі, якщо встановити коефіцієнт ПОС β = β 2 , то автогенератор працює також, як і в м'якому режимі, при цьому існує точка стійкої рівноваги.

Розглянемо, як змінюється амплітуда коливань, якщо змінюється коефіцієнт ПОС, а зовнішні впливи відсутні.

Відповідно до розглянутим вище, запуску генератора не відбудеться, якщо β < β 2 (лінія ПОС β проходить лівіше лінії β 2). Запуску генератора не відбудеться і в разі, якщо β 1 < β < β 2 (лінія ПОС β проходить між лініями β 1і β 2), Так як зовнішній електричний поштовх відсутній. Генератор возбудится тільки в разі β = β 1, При цьому встановиться стаціонарна амплітуда коливань. Якщо після запуску генератора далі зменшувати коефіцієнт ПОС β в межах β 1 < β < β 2, то зриву коливань не відбудеться, буде лише зменшуватися амплітуда коливань . Зрив коливань відбудеться в разі, коли β = β 2. Для відновлення коливань необхідно знову встановити коефіцієнт ПОС β = β 1 .

Таким чином, жорсткий режим самозбудження генератора характеризується наступними особливостями:

§ крива коефіцієнта посилення підсилювача має точку перегину і перетинається з прямою ПОС в одній або двох точках;

§ існує два значення критичного коефіцієнта ПОС ( β 1 і β 2), Відповідні запуску і зриву коливань автогенератора;

§ амплітуда коливань навіть для критичної ПОС запуску β 1 не може бути близька до нуля;

§ існує можливість запуску генератора при β 1 < β < β 2 за рахунок початкового зовнішнього поштовху.

Жорсткий режим автогенератора економічніший (автогенератор має більш високий к.к.д.), ніж м'який режим, так як підсилювач працює в нелінійному режимі. Разом з тим, при жорсткому режимі неможливо отримати коливання малої амплітуди, а запуск генератора має певні складності. Жорсткий режим самозбудження автогенераторів застосовується рідко.

Залежно від значень постійних живлячих напруг, підведених до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта Кос можливі два режими самозбудження: м'який і жорсткий.

1.Режим м'якого самозбудження.

В даному режимі робочу точку А вибирають на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики підсилювального елемента, що забезпечує початковий режим роботи підсилювального елемента без відсічення вихідного струму i вих (рис. №2).

Мал. № 2. Діаграма, м'якого режиму самозбудження.

У цих умовах самозбудження виникає від самих незначних змін вхідної напруги U вх, завжди наявних в реальних умовах через флуктуацій носіїв заряду.

Спочатку коливання в автогенераторі наростають відносно швидко. Потім через нелінійність вольт-амперної характеристики підсилювального елемента зростання амплітуди коливань сповільнюється, оскільки напруга на його вході потрапляє на ділянки вольт-амперної характеристики з усе меншою статичної крутизною, а це призводить до зменшення середньої крутизни S ср і коефіцієнта передачі К ос ланцюга зворотного зв'язку.

Наростання коливань відбувається до тих пір, поки коефіцієнт передачі К зменшиться до одиниці. В результаті в автогенераторі встановитися стаціонарний режим, якому відповідає певна амплітуда вихідних коливань, причому кут відсічення вихідного струму 0> 90 0. Частота цих коливань дуже близька до резонансної частоти коливальної системи.

Якби підсилювальний елемент мав лінійну вольт-амперну характеристику, наростання амплітуди автоколивань відбувалося б до нескінченності, що фізично неможливо. Тому в лінійної ланцюга отримати стійкі автоколивання з постійною амплітудою неможливо.

Через нелінійності воль-амперної характеристики форма вихідного струму i вих підсилювального елемента виходить несинусоїдної. Однак при досить великий добротності (50 ... 200) коливальні системи перша гармоніка цього струму і, отже, напруга на виході автогенератора є майже гармонійні коливання.

2. Режим жорсткого самозбудження.

При цьому режимі напруга зсуву U 0 задають таким, щоб при малих амплітудах вхідної напруги струм через підсилювальний елемент не проходив. Тоді незначний коливання, що виникли в контурі, не можуть викликати струм вихідний ланцюга, і самозбудження автогенератора не настає. Коливання виникають тільки при їх досить великою початковою амплітудою, що не завжди можна забезпечити. Процес виникнення і наростання коливань при жорсткому режимі самозбудження ілюструє за допомогою ріс.№3.

Рис.№ 3. Діаграма жорсткого самозбудження

З розгляду цього малюнка видно, що при малих початкових амплітудах вхідної напруги (крівая1) струм i вих = 0 і автоколивання не виникають. Вони виникають тільки при досить великою початковою амплітудою напруги (крива 2) і швидко наростають до сталого значення. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент працює у кутами відсічення вихідного струму 0<90 0 .

Для зручності експлуатації автогенератора доцільніше застосувати м'який режим самозбудження, так як в цьому режимі коливання виникають відразу після включення джерела живлення. Однак при жорсткому режимі коливань з кутом відсічення 0<90 0 обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного тока усилительного элемента.

Автоматичне зміщення. Його застосування забезпечує можливість роботи автогенератора при первісному включенні в режимі м'якого самозбудження з подальшими автоматичним переходом в режим жорсткого самозбудження. Цього досягають застосуванням в автогенераторі спеціального ланцюга автоматичного зміщення.

На рис.№ 4а зображена спрощена принципова схема автогенератора на біполярному транзисторі VT, навантаженням якого служить коливальний контур L2C2. Напруга позитивного зворотного зв'язку створюється на котушці L1 і підводиться між базою і емітером транзистора. Початкове напряженіе6 зміщення на базі транзистора створюється джерелом включена ланцюг авто-зміщення R1C1.

Процес виникнення і наростання коливань ілюструється за допомогою рис.№ 4б. У перший момент після включення генератора, тобто в момент появи коливань, робоча точка А знаходиться на ділянці максимальної крутості вольт-амперної характеристики транзистора. Завдяки цьому коливання виникають легко в умовах м'якого режиму самозбудження. У міру зростання амплітуди збільшується струм бази, постійна складова якого створює падіння напруги U см на резисторі R1 (змінна складова цього струму проходить через конденсатор C1). Так як напруга U см докладено між базою і емітером в негативної полярності, результуюче постійна напруга на базі U 0 - U см зменшується, що викликає зміщення робочої точки вниз за влучним висловом транзистора і переводить автогенератор в режим роботи з малими кутами відсічення колекторного струму при цьому струми колектора i до і бази i б мають вигляд послідовності імпульсів, а напруга на виході U вих, створюване першою гармонікою колекторного струму, являє собою синусоїдальне коливання з незмінною амплітудою.

Таким чином, ланцюг автоматичного зсуву R1C1в автогенераторі виконує роль регулятора процесу самозбудження і забезпечує в початковий момент умови м'якого самозбудження з подальшим переходом в більш вигідний режим з малими кутами відсічення.

М'який режим характеризується безумовним швидким встановленням стаціонарного режиму при включенні автогенератора.

Жорсткий режим вимагає додаткових умов для встановлення коливань: або великий величини коефіцієнта зворотного зв'язку, або додаткового зовнішнього впливу (накачування).

В АГ з м'яким режимом положення робочої точки не залежить від розвиваються коливань. Для найкращого збудження бажано, щоб робоча точка активного елементу перебувала в середині лінійної ділянки ДПХ, тобто в точці максимального посилення (рис.10).

В АГ з жорстким режимом збудження робочу точку встановлюють в області нижнього нелінійного ділянки (близько до відсічення) так, щоб струм за відсутності генерації був би близький до нуля. Через малого коефіцієнта посилення початкові коливання можуть не розвинутися (рис.11).

Для аналізу якості режиму збудження використовують так звані коливальні характеристики АГ: залежність амплітуди вихідної напруги підсилювача (або коефіцієнта посилення) від амплітуди вхідної напруги при розімкнутому контурі АГ, причому розмикання можна здійснити в будь-якій зручній точці, наприклад так, як показано на рис.12.

М'який режим самозбудження характеризується постійно увігнутою кривою з максимальною крутизною на початку координат. Ланцюг зворотного зв'язку в координатах колебательной характеристики називається лінією зворотного зв'язку (ЛОС) .Так як то в координатах рівняння лінії зворотного зв'язку має вигляд, а

в координатах ЛОС є лінію, паралельну осі абсцис.

Точка перетину нелінійної коливальної характеристики з ЛОС відповідно до рівняння балансу амплітуд визначає стаціонарні амплітуди і.

На рис. 13 показані типовий вигляд колебательной характеристики АГ з м'яким самозбудженням і кілька ЛОС.>

З рис.13 видно, що при коливальна характеристика та ЛОС мають дві точки перетину Проі М, Причому т. Проє нестійкою, а М- стійка.

Дійсно, розглянемо випадок, при якому має місце стійка генерація (рис. 14).

Нехай при включенні АГ в певний момент часу на виході виникла напруга з амплітудою. Це коливання через ланцюг зворотного зв'язку передається на вхід з амплітудою. У свою чергу напруга викличе на виході напруга (див. По стрілках на рис.14) і т.д. Далі можна здійснити перехід з коливальної характеристики на ЛОС, з ЛОС на коливальну характеристику і т. Д., Поки в результаті не потрапляючи в точку М. Такого роду графіки називають діаграмами Ламерея. Ця діаграма показує, що будь-який, як завгодно мале обурення при включенні АГ призводить його в стаціонарний стан, обумовлений точкою М. На рис. 15показано, що т. М є стаціонарною при змінах амплітуди від.

Аналогічні діаграми можна розглядати, використовуючи рис. 13, б.

Для зміни величини стаціонарної амплітуди в АГ з м'яким режимом досить міняти величину коефіцієнта зворотного зв'язку. при збільшенні Косвід нуля автоколебания не виникають до тих пір, поки величина Косне досягне величини Кос, Кр = 1 / К (0), де К (0)- коефіцієнт посилення при, т. Е. При порушенні АГ. подальше збільшення Коспризводить до збільшення (див. рис. 16). зменшення Коспризводить до зміни по тій же лінії, що і при збільшенні. Можна побудувати аналогічний графік для амплітуди сигналу в вихідний ланцюга АГ.

Жорсткий режим самозбудження АГ характеризується увігнуто-опуклою колебательной характеристикою з однією або декількома точками перегину і відповідно з більш ніж двома точками перетину (рис. 17).

Такий вид характеристики мають АГ, робоча точка підсилювального елемента яких знаходиться на нижньому згині прохідний характеристики. Легко показати, що точки Про і М в цьому випадку стійкі, а точка N - нестійка. Поки амплітуда на виходебудет менше, автоколебания зростає не будуть (див. Діаграму рис.18)

Для того, щоб перевести генератор в стан М при цьому Кос, необхідно підживити АГ додатковим сигналом (з боку входу або виходу), званим сигналом збудження або накачування. При цьому величина сигналу накачування повинна перевищувати величину, обумовлену крапкою N. В цьому випадку сигнал накачування по ланцюгу зворотного зв'язку призведе генератор до стаціонарного стану М (див. Рис. 19).

Для збудження такого АГ можна не використовувати додаткову накачування, а встановити таку сильну зворотний зв'язок, щоб генератор самозбуджується; при цьому має виконуватися умова. З огляду на, що в цьому випадку К (0) досить мало, виконати умову можна тільки при дуже глибокої зворотного зв'язку. Цей факт ілюструється рис. 20.

Поки, амплітуда автоколивань дорівнює нулю. При в автогенераторі

встановляться коливання з амплітудою. подальше збільшення Коспризведе до плавного зменшення амплітуди. Якщо тепер зменшувати Кос, То амплітуда коливань з боку входу підсилювача буде плавно зменшуватися до тих пір, поки коефіцієнт зворотного зв'язку не досягне величини, при якому ЛОС стосується опуклою частини коливальної характеристики. Амплітуда стаціонарних коливань при цьому буде дорівнює. подальше зменшення Коспризведе до зриву автоколебаний. Таким чином, в АГ з жорсткою колебательной характеристикою можна встановити коливання з амплітудою меншою, ніж. Аналогічні міркування можна привести і для амплітуди вихідного сигналу АГ, але оскільки є однозначний зв'язок між вхідний і вихідний амплітудами, цього можна не робити.

Перевагою режиму м'якого самозбудження є простота виведення АГ в необхідний стаціонарний режим. Недоліком - низький ККД через велику величини постійної складової струму. В АГ з жорстким режимом перевагою є відсутність постійного струму (або його мала величина) в режимі спокою АГ.

Використовуючи ланцюга автоматичного зміщення у вхідному ланцюзі, можна домогтися суміщення достоїнств обох типів збудження: в момент запуску робоча точка знаходиться в точці максимальної крутості (на середині лінійної ділянки), а з наростанням амплітуди робоча точка зміщується в бік відсічення через випрямляють властивостей вхідного pn -переходу і ланцюжки автоматичного зміщення. Приклад принципової схеми такого АГ наведено на рис. 21.

На опорі R б виділяється постійна напруга, пропорційне амплітуді подається на вхід коливання. На рис. 22 показана картина переходу АГ в стаціонарний стан.

Сталий режим при цьому характеризується роботою транзистора з кутом відсічення 90 0. Завдяки коливального контуру підсилювача на виході розвиваються гармонійні автоколебания.

Класифікація генераторів

Генератор- це пристрій, що перетворює енергію джерела постійного струму в енергію електромагнітних коливань з певними параметрами.

Основними параметрами коливань є: амплітуда, частота і форма.

Основною вимогою, що пред'являються до генераторам є стійкість його роботи при впливі на нього дестабілізуючих факторів, т. Е. Стабільність параметрів генеруючих коливань.

Генератори широко застосовуються в техніці зв'язку. Вони використовуються при формуванні тестових сигналів, сигналів синхронізації, службових сигналів, опорних коливань і т. Д.

Умовне графічне зображення генераторів наведено на малюнку 1.

Малюнок 1 - Умовне графічне позначення генераторів: а) гармонійних коливань, б) послідовності прямокутних імпульсів, в) послідовності пилкоподібних імпульсів.

Класифікація генераторів приведена на малюнку 2.

електричнимиє генератори, безпосередньо перетворюють енергію джерела постійного струму в енергію коливань.

електромеханічнимиє генератори, в яких частота генеруючих коливань задається частотою механічних коливань деяких матеріалів (кварцовою пластини).

У генераторах з внутрішнім збудженнямабо з самозбудженнямколивання формуються за рахунок внутрішнього джерела живлення.

Малюнок 2 - Класифікація генераторів

У генераторах з зовнішнім збудженнямформування коливань здійснюється з надходить на його вхід іншого коливання (множення і ділення частоти).

релаксаційні генераториабо мультивібраториформують коливання не гармонійної форми (послідовності прямокутних, трикутних, пилкоподібних, колокообразних і т. д. імпульсів).

Гармонійніабо квазігармоніческогогенератори формують коливання гармонійної форми.

В RC-генераторив якості виборчої ланцюга використовуються RC-фільтри.

В LC-генераторив якості виборчої ланцюга використовується паралельний коливальний контур.

В двоточковихLC-генераториколивальний контур підключається до підсилювальному елементу двома точками, а в триточковихLC-автогенераторах? трьома крапками.

Узагальнена структурна схема гармонійного автогенератора

Побудуємо узагальнену структурну схему гармонійного автогенератора. Оскільки це автогенератор, то він повинен мати внутрішнє джерело живлення (ІП) Для формування гармонійних коливань генератор повинен містити ланцюг, в якій здатні виникнути коливання. Такий ланцюгом є коливальний контур, який також буде виконувати функції виборчої ланцюга (ІЦ). Виборча ланцюг визначає частоту генеруючих коливань і їх форму. З точки зору виникнення коливань коливального контуру досить, але коливальний контур є пасивною ланцюгом, а отже має позитивним активним опором Rіц. При наявності цього опору, а також опору навантаження Rн, в яку подаються коливання, що формуються генератором коливання будуть затухаючими. Тому в ланцюг автогенератора необхідно включити елемент, що володіє негативним активним опором, як відомо, елемент володіє негативним активним опором є джерелом змінного струму, а отже є активним (підсилювальним) елементом (УЕ). Опір підсилювального елемента Rуе має повністю компенсувати всі втрати енергії в пасивних ланцюгах генератора і навантаження. Також до складу автогенератора необхідно включити ланцюг, за допомогою якої частина коливань з виходу генератора буде надходити в підсилювальний елемент для компенсації втрат, т. Е. Необхідна ланцюг зворотного зв'язку (ОС). Дана ланцюг також є пасивною і має позитивний активним опором Rос. Таким чином, отримуємо узагальнену структурну схему гармонійного автогенератора (рисунок 3).

Малюнок 3 - Узагальнена структурна схема гармонійного автогенератора

У стаціонарному режимі роботи автогенератора позитивне активний опір пасивних елементів генератора і навантаження повинне повністю компенсуватися негативним опором підсилювального елемента, т. Е.

Rиц +Rос +Rн— RУЕ = 0 (1)

Процес збудження коливань в автогенераторі

Розглянемо процес збудження коливань в автогенераторі (рисунок 3). При включенні джерела харчування в ланцюгах автогенератора спостерігаються флуктуації струму (флуктуаційний шум). Спектр цього шуму містить складові на всіх частотах. З цього спектру за допомогою виборчої ланцюга виділяється складова на частоті генерації fг. Отримане коливання на виході ІЦ надходить по ланцюгу зворотного зв'язку в підсилювальний елемент, де здійснюється посилення коливання, яке надходить знову в ІЦ і т. Д. Амплітуда коливань зростає до певного моменту, після чого вона стабілізується, а також стабілізуються частота і форма коливань. Під час роботи автогенератора виділяють два режими роботи: перехідний і стаціонарний. перехідний режимроботи генератора триває з моменту включення генератора і до моменту стабілізації параметрів коливань. Стаціонарний режимроботи триває з моменту стабілізації параметрів коливань і до виключення генератора (рисунок 4).

Малюнок 4 - Режими роботи автогенератора

Умови самозбудження автогенератора

Щоб визначити умови самозбудження автогенератора необхідно розглянути його рівняння.

Коефіцієнт передачі автогенератора визначається виразом

Кп= Кус? Кос (2)

де Кп - комплексне значення коефіцієнта передачі автогенератора;

Кус - комплексне значення коефіцієнт посилення підсилювача;

Кос- комплексне значення коефіцієнта зворотного зв'язку.

Якщо розімкнути ланцюг зворотного зв'язку, то вираз для коефіцієнта посилення буде мати вигляд

кус= Umвих/ Umвх= Кусe jjвус (3)

де Um вх - комплексна амплітуда вхідної напруги підсилювача;

Um вих - комплексна амплітуда вихідної напруги підсилювача;

Кус - модуль коефіцієнта підсилення:

j вус - аргумент модуля коефіцієнта посилення.

Модуль коефіцієнта посилення дорівнює

кус =Umвих/ Umвх (4)

j вус враховує зрушення фаз між вхідним і вихідним напругами підсилювача. Як випливає з малюнка 3, підсилювач включає в себе підсилювальний елемент і виборчу ланцюг. Припустимо, що в якості виборчої системи використовується паралельний коливальний контур з опором Rрез. тоді

Umвих= Im 1 ? Rрез (5)

де Im 1? амплітуда першої гармоніки вихідного струму підсилювального елемента.

Між Im 1 і Um вх існує взаємозв'язок, що визначається виразом

Im 1 = Sср? Umвх (6)

де Sср - середня крутизна вольт-амперної характеристики підсилювального елемента

Підставляючи значення Im 1 з (6) в (5) отримуємо

Umвих= Sср? Umвх? Rрез (7)

Тоді модуль коефіцієнта посилення підсилювача, враховуючи (4) і (7) буде дорівнює

кус =Umвих/ Umвх= Sср? Umвх? Rрез /Umвх= Sср? Rрез(8)

З огляду на, що j вус дорівнюватиме

jвус=jУЕ+ jиц (9)

де j УЕ - фазовий зсув, що вноситься підсилювальним елементом;

j иц - фазовий зсув, що вноситься виборчої ланцюгом.

З огляду на вираження (3), (8) і (9) коефіцієнт посилення підсилювача буде дорівнює

кус= Sср? Rрезe j (jУЕ +jиц) (10)

Коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку дорівнює

Кос = Um в х / Um вих = Кос e j jос (11)

де Кос - модуль коефіцієнта передачі ланки зворотнього зв'язку;

j ос - аргумент модуля коефіцієнта передачі ланки зворотнього зв'язку.

j ос враховує зрушення фаз між вхідним і вихідним напругами ланцюга зворотного зв'язку.

Таким чином, виходячи з виразів (2), (10) і (11), можна записати коефіцієнт передачі автогенератора в стаціонарному режимі (з постійними параметрами) при генеруванні синусоїдальних коливань

Кп=кус? Кос= Sср? Rрез? Косe j (jУЕ +jиц +jос)=1 (12)

Вираз (12) є рівнянням автогенератора. Згідно з цим рівнянням коефіцієнт передачі автогенератора в стаціонарному режимі повинен бути дорівнює одиниці.

Рівняння автогенератора висловлює умови самозбудження автогенератора.

1. Умова балансу амплітуд

Кп= Sср? Rрез? Кос = 1 (13)

Коефіцієнт передачі по замкнутому кільцю генератора повинен бути дорівнює одиниці.Т. е. Вся енергія, що витрачається на пасивних елементах генератора і навантаження повинна повністю компенсуватися енергією поповнення підсилювального елемента.

Умова балансу амплітуд визначає стаціонарну амплітуду коливань.

2. Умова балансу фаз

jвус=jУЕ+ jиц+ jос=0 або k2 p, деk=1, 2, 3, … (14)

Сумарний зсув фаз в замкнутому кільці автогенератора має дорівнювати нулю або кратний 2p (360 ° ). Т. е. Енергія поповнення підсилювального елемента повинна подаватися в фазі з вже існуючими коливаннями. Для виконання цієї умови ланцюг зворотного зв'язку автогенератора повинна бути позитивної. Т. к. В більшості автогенераторів умова балансу фаз виконується лише на одній частоті, то ця умова визначає частоту генерації.

Режими самозбудження автогенератора

Залежно від значень постійних живлячих напруг підводяться до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта Кос можливі два режими самозбудження: м'який і жорсткий.

при м'якому режимі самозбудженнястановище робочої точки (А) задається на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики підсилювального елемента (рисунок 5). У цьому випадку забезпечується початковий режим роботи підсилювального елемента без відсічення вихідного струму. При цьому режимі самозбудження виникає навіть при незначних змінах вхідної напруги, які завжди спостерігаються через флуктуацій носіїв зарядів. Таким чином, коливання на виході підсилювального елемента виникають відразу, навіть при незначних змінах вхідної напруги, що є перевагою даного режиму самозбудження. Амплітуда коливань на виході генератора зростає плавно. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент може працювати без відсічення або з відсіченням вихідного струму, причому в другому випадку кут відсічення вихідного струму Q (половина тривалості імпульсу вихідного струму) більше 90 °. Відсутність відсічення або великий кут відсічення призводять до зниження коефіцієнта корисної дії (ККД) генератора, що є недоліком цього режиму.

Малюнок 5 - Діаграми, що пояснюють м'який режим самозбудження

при жорсткому режимі самозбудженнястановище робочої точки задається за межами вольт-амперної характеристики підсилювального елемента (рисунок 6). Це призводить до того, що підсилювальний елемент постійно працює в режимі відсічення вихідного струму, внаслідок цього коливання на виході елемента з'являються лише при перевищенні амплітудою вхідного напруги u (t) певного значення U н. При перевищенні цього значення (u (t)? U н) підсилювальний елемент відмикається, і на його виході з'являються коливання. Причому амплітуда цих коливань наростає швидко. Необхідність наявності певної напруги на вході підсилювального елемента для появи коливань на його виході є недоліком жорсткого режиму самозбудження.

В даному режимі самозбудження кут відсічення вихідного струму менше 90 °. Наявність малого кута відсічення збільшує ККД генератора, що є перевагою цього режиму.

Малюнок 6 - Діаграми, що пояснюють жорсткий режим самозбудження

Як видно м'який режим самозбудження володіє тими перевагами, якими не володіє жорсткий режим, а жорсткий режим має ті переваги, якими не володіє м'який режим. Тому на практиці в деяких типах генераторів (зокрема в LC-генераторах) використовують обидва режими: при включенні генератора і під час перехідного режиму генератор працює в м'якому режимі самозбудження, а при переході в стаціонарний режим роботи генератор переводиться в жорсткий режим самозбудження.

характеристики автогенератора

коливальна характеристикаявляє собою залежність амплітуди першої гармоніки вихідного струму підсилювального елемента Im 1 від амплітуди вхідної напруги Um вх при постійній напрузі зміщення U 0 і розімкнутої ланцюга зворотного зв'язку.

Ці характеристики мають нелінійний характер, т. К. Підсилювальний елемент є нелінійним, і залежать від режиму самозбудження генератора. На малюнку 7, а представлена ​​коливальна характеристика генератора в м'якому режимі самозбудження, а на малюнку 7, б? в жорсткому режимі самозбудження.

Малюнок 7 - Коливальні характеристики автогенератора

Лінії зворотного зв'язкуявляють собою залежність вихідної напруги ланцюга зворотного зв'язку Um вих від амплітуди першої гармоніки вхідного струму Im 1.

Оскільки вихідна напруга ланцюга зворотного зв'язку є вхідною напругою підсилювального елемента, а вхідний струм ланцюга зворотного зв'язку є вихідним струмом підсилювача, то лінії зворотного зв'язку зручніше представити щодо підсилювача як залежність вхідної напруги підсилювального елемента від амплітуди першої гармоніки вихідного струму (рисунок 8).

Малюнок 8 - Лінії зворотного зв'язку

Лінії зворотного зв'язку висловлюють лінійну залежність, т. К. Ланцюг зворотного зв'язку є лінійною ланцюгом. Нахил ліній залежить від коефіцієнта зворотного зв'язку Кос. Чим більше Кос, т. Е. Чим сильніше зворотний зв'язок, тим менше кут нахилу щодо осі Um вх, наприклад, на малюнку 8: Кос 1<Кос 2 <Кос 3 .

Визначення стаціонарної амплітуди коливань

З пункту 1.6 слід, що в автогенераторі одночасно існують лінійна (лінії зворотного зв'язку) і нелінійна (коливальна характеристика) залежності. У стаціонарному режимі роботи автогенератора амплітуда напруги Um вх і відповідна йому амплітуда струму Im 1 підсилювального елемента повинні одночасно задовольняти цим двом залежностям. Це можливо тільки в точках перетину колебательной характеристики з лінією зворотного зв'язку. Розглянемо процес визначення стаціонарної амплітуди коливань в різних режимах самозбудження.

М'який режим самозбудження.

Для аналізу процесів, що відбуваються в автогенераторі побудуємо обидві його характеристики в одній осі координат і в одному масштабі (малюнок 9).

На малюнку представлені дві лінії зворотного зв'язку при різних коефіцієнтах зворотного зв'язку Кос 1 і Кос 2 причому Кос 1<Кос 2 . При Кос 1 колебания отсутствуют, т. к. колебательная характеристика и линия обратной связи имеют одну общую точку 0, а значит Um вх =0 и Im 1 =0. При Кос 2 колебательная характеристика и линия обратной связи имеет две общие точки 0 и В. Поскольку, как отмечалось выше, в точке 0 колебания не возможны, то устойчивые колебания возможны только в точке В при напряжении равном Um вхВ и соответствующем ему током Im 1В. Точка В является точкою стійкої рівновагиі відповідає стаціонарному режиму роботи генератора. У точці стійкої рівноваги спостерігається баланс енергії поповнення підсилювального елемента і енергії втрат. До цієї точки генератор приходить в процесі самозбудження. В результаті впливу на генератор різних дестабілізуючих факторів він може вийти зі стану стійкої рівноваги, але амплітуда коливань буде прагне повернуться до точки стійкої рівноваги. Розглянемо процеси, що відбуваються в автогенераторі в цьому випадку.

Припустимо, що напруга на вході підсилювального елемента зменшилася до значення Um ВГС. Ця напруга викличе у вихідному ланцюзі генератора струм Im 1 C. Цей струм завдяки зворотного зв'язку збільшить напругу на вході елемента до Um вх D, а це, в свою чергу, призведе до збільшення струму до Im 1 D. Цей струм призведе до збільшення напруги і т. Д. Це буде відбуватися до тих пір, поки амплітуда коливань не досягне значень точки В. Якщо ж амплітуда коливань, під впливом дестабілізуючих факторів, збільшиться до значення Um ВХЕ, то відбудеться зворотній процес, т. е. викликаний цим напругою струм Im 1 E, завдяки зворотного зв'язку, призведе до зменшення напруги Um вх і т. д., до тих пір, поки амплітуда коливань знову не повернеться до значення точки В.

Жорсткий режим самозбудження.

В даному режимі коливальна характеристика і лінія зворотного зв'язку має три спільні точки 0, А і В (рисунок 10).

Малюнок 10 Визначення стаціонарної амплітуди коливань в жорсткому режимі

У точці 0 коливання існувати не можуть. Проаналізуємо точку А. Зменшення амплітуди коливань на вході підсилювального елемента до Um ВГС, викличе струм у вихідному ланцюзі Im 1С, який в свою чергу призведе до зменшення напруги Um вх, це напруга призведе до зменшення струму Im 1 і т. Д. До тих пір , поки коливання не затухнуть. Якщо напруга на вході підсилювального елемента збільшиться до значення Um вх D то амплітуда коливань буде збільшуватися до значення точки В. Таким чином, точка А є точкою нестійкої рівноваги, В цій точці можуть існувати коливання, але при зміни їх амплітуди вони або загасають або їх амплітуда збільшується. Якщо провести аналіз точки В, то вона виявиться точкою стійкої рівноваги.