Условия самовозбуждения автогенератора

Введение

 

Для передачи сигналов электросвязи необходимо иметь генератор электрических колебаний высокой частоты- устройство, преобразующее энергию источника постоянного напряжения в энергию колебаний. Существуют генераторы с внешним возбуждением, в которых незатухающие колебания получают от внешнего источника, и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы), для которых внешний источник не нужен. Колебания, получаемые в автогенераторах, называют автоколебаниями. Эти колебания могут быть гармоническими (синусоидальными) или релаксационными (несинусоидальными). Автогенераторы применяют не только в передающей, но и в приемной аппаратуре: в преобразователях частоты, демодуляторах и т.д. Независимо от назначения автогенераторов, они должны удовлетворять следующим общим требованиям: иметь достаточно высокое постоянство (стабильность) частоты колебаний и выходной мощности, а также возможно близкую с синусоидальной форму выходного напряжения. Для выполнения этих требований в схемах автогенераторов применяют ряд специальных мер.

Принципы работы автогенератора

Структурная схема автогенератора

 

В простейшем случае высокочастотные колебания можно получать с помощью обычного колебательного контура. Предположим, что контур получил от постоянного источника некоторый первоначальный запас энергии. При этом в нем возникают свободные (собственные) затухающие колебания. Чтобы сделать их незатухающими, необходимо все время пополнять запас энергии в контуре, поскольку часть её процессе колебаний необратимо преобразовать в тепло.

Реализовать источник энергии, необходимый для получения незатухающих колебаний в контуре, можно с помощью устройства рис. №1

 

Рис.№1. Структурная схема LC-автогенератора

 

Схема содержит усилительный элемент 1 (электронную лампу или транзистор), нагрузкой которого является колебательная система 2, например, колебательный контур с сосредоточенными параметрами. Часть напряжения с контура через цепь обратной связи 3 поступает на вход усилительного элемента. Устройство получает питание от источника напряжения 4.

Напряжение свободных колебаний, поступающих через элемент 3 на вход элемента 1, усиливается им и вновь подается на колебательную систему. Это напряжение должно быть после усиления достаточным для компенсации потерь в контуре. Кроме этого, цепь обратной связи должна вызывать такой сдвиг фазы колебаний, поступающих на вход элемента 1, при котором контур будет своевременно, т.е. в такт со свободными колебаниями в нем, получать энергию. При одновременном выполнении указанных условий данное устройство создает (генерирует) незатухающие колебания, т.е. представляет собой автогенератор.

 

Процесс самовозбуждения

 

В момент включения источника питания во всех цепях генератора проходят кратковременные импульсы токов. Так как одиночный импульс образует сплошной спектр колебаний, частота одного из них обязательно совпадает с собственной частотой колебательной системы генератора. Это колебание возбудит колебательную систему, и по цепи обратной связи на управляющий электрод усилительного элемента поступит напряжение данной частоты. Под действием этого напряжения выходной ток усилительного элемента станет изменяться с той же частотой. Переменная составляющая тока, проходя через колебательную систему, будет усиливать возникшие в ней колебания. Амплитуда колебаний будет нарастать до тех пор, пока энергия, поступающая в колебательную систему, станет равной энергии потерь, после чего схема переходит в стационарный режим, характеризующийся постоянной или стационарной амплитудой колебаний.

Если контуру сообщить некоторый первоначальный запас энергии, в нем возникают затухающие колебания. При подключении к контуру нагрузки, имеющий активное сопротивление, скорость затухания колебаний увеличивается, что свидетельствует об увеличении потерь в нем. Следовательно, можно считать, что если энергия потребляется от контура, в него как бы вноситься положительное активное сопротивление R+, увеличивающее сопротивление потерь контура R_п. Если же энергия поступает в контур, это эквивалентно уменьшению потерь в контуре, т.е. как бы внесению в него отрицательного активного сопротивления R-.

В колебательную систему автогенератора энергия поступает от усилительного элемента (отрицательное сопротивление) и одновременно потребляется цепью обратной связи и нагрузкой (положительное сопротивление). Следовательно, в колебательную систему вноситься некоторое эквивалентное сопротивление R_эк=R₊ - R_-. Если же знак этого сопротивления положительный (R_эк>0), потери в колебательной системе увеличиваются и колебания быстро затухают; если знак отрицательный (R_эк<0) и кроме этого < R_п, происходит частичная компенсация потерь и скорость затухания колебаний уменьшается. При R_эк<0 и > R_п энергия, поступающая в колебательную систему, больше энергии потерь, что приводит к непрерывному росту амплитуды колебаний. В стационарном режиме работы автогенератора отрицательное вносимое сопротивление становиться равным (по модулю) сопротивлению потерь колебательной системы. Это означает, что поступающая в неё энергия полностью компенсирует потери, вследствие чего амплитуда автоколебаний становится постоянной.

Условия самовозбуждения автогенератора

Баланс амплитуд и фаз

 

Разомкнем в точках 1-1 рис. №1 цепь обратной связи и запишем выражение для коэффициента усиления усилителя:

 

K_ус= = K_усexp iψ_ус,

 

где U_mвых и U_mвх- соответсвенно комплексные амплитуды выходного и входного напряжения;

K_ус= - модуль коэффициента усиления;

ψ_ус- его аргумент, учитывающий сдвиг фаз между входным и выходным напряжением усилителя. Предположим, что в качестве колебательной системы использован одиночный колебательный контур, резонансное сопротивление которого R_рез. Тогда

 

U_mвых=I_m1R_рез,

 

где I_m1- амплитуда первой гармоники выходного тока усилительного прибора. Связь между значениями I_m1 и U_mвх устанавливается с помощью соотношения Im1≈S_ср U_mвх, в котором S_ср – средняя крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента. В любом реальном усилителе эта характеристика нелинейная, поэтому средняя крутизна S_ср зависит от амплитуды входного напряжения U_mвх. Так, при малых значениях U_mвх крутизна характеристики S_ср практически равна статической крутизне в рабочей точке, при увеличении U_mвх она уменьшается.

Подставляя значение I_m1 из последнего уравнения в выражение для U_mвых, получаем:

 

U_mвых= S_ср U_mвх R_рез.

 

Тогда

 

K_ус= S_ср R_рез и K_ус= S_ср R_рез exp jψ_ус.

 

Коэффициент передачи цепи обратной связи

 

K_ус= = K_о.с.exp jψ_о.с.,

 

где K_о.с. = – модуль коэффициента передачи; ψ_о.с. – его аргумент, определяющий сдвиг фаз между входным напряжением цепи обратной связи.

Результирующий коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, К=К_усК_ос. Если в колебательной системе установятся синусоидальные колебания с постоянной амплитудой (стационарный режим),

 

К=К_усК_ос= = 1 (1)

 

Подставляя в уравнение (1) значения К_ус и K_о.с., получаем

 

K= S_ср R_рез exp(jψ_ус) К_ос exp (jψ_о.с)= К_ос S_ср R_рез exp[j(ψ_ус+ ψ_о.с)]=1. (2)

 

Уравнение (2) выражает условие стационарности автогенератора. Это уравнение распадается на два:

К_ос S_ср R_рез = 1, или К_осК_ус=1 (3)

 

ψ_ус+ ψ_о.с=0; 2π 4π; … (4)

 

1.Условие баланса амплитуд.

Соотношения (3) называют условием баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора (элементы 1-3 на рис.№ 1) равен единице. В этом условии величины К_ос и R_рез не зависят от амплитуды напряжения на входе усилительного элемента, а S_ср- зависит (с увеличением U_mвх средняя крутизна S_ср уменьшается). Следовательно, условие баланса амплитуд выполняется лишь при определенном значении U_mвх, т.е. при определенной амплитуде колебаний U_mвых. Из (3) получаем

 

К_ос =. (5)

 

Если К_ос>, амплитуда колебаний на выходе автогенератора нарастает до тех пор, пока вновь не выполниться условие (3). При К_ос< возникновение колебаний невозможно, поскольку энергия, поступающая в колебательную систему, недостаточна для компенсации потерь. Таким образом, условие баланса амплитуд определяет, с одной стороны, стационарную амплитуду выходных колебаний, а с другой – наименьший коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий самовозбуждение генератора. Этот коэффициент К_о.с.кр называют критическими. Надежное самовозбуждение генератора возможно только при К_ос> К_о.с.кр.

2. Условие баланса фаз.

Это условие определяется (4): в стационарном режиме суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен нулю или целому числу 2π.

В цепях автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз.

· Сдвиг фаз на угол ψ₁=π, создаваемый усилительным элементом (например, транзистор при его включении по схеме с общим эмиттером), между его входным U_mвх и выходным U_mвых напряжениями.

· Сдвиг фаз на угол ψ_о.с. возникающий в цепи обратной связи между её входным U_mвх и выходным U_mвых напряжениями.

· Сдвиг фаз на угол ψ₂ между напряжениями на входе усилительного элемента U_mвх и первой гармоникой его выходного тока I_m1. Этот сдвиг возникает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или транзистора угол ψ₂≈0⁰.

· Сдвиг фаз на угол ψ₃ между напряжением U_mвых и током I_m1. Если колебательный контур точно настроен на частоту первой гармоники выходного тока, угол ψ₃≈0⁰.

Таким образом, условие (4) можно переписать в следующем виде:

 

ψ₁+ ψ₂+ ψ₃+ ψ_о.с= 180⁰+0⁰+ ψ_о.с= 0; 360^0;720⁰,… или ψ_о.с =±180⁰ (6)

 

Соотношение означает, что для выполнения условия баланса фаз цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней переменного напряжения U_mвых и 180⁰. В большинстве автогенераторов существует лишь одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, т.е. на которой возможно генерирование колебаний. Следовательно, условие (4) определяет частоту автоколебаний ω_авт.

 

1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: