18. Генераторы электрических колебаний

Генераторы, как и усилители, бывают разных типов, они могут быть источниками электрических колебаний различной формы в широком диапазоне частот. Основным узлом большинства генераторов является транзисторный усилитель. Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных электрических схем генераторов, выясним общие условия, необходимые для возникновения и поддержания электрических колебаний. Начнем с механической аналогии. Для возникновения, например, колебаний маятника или качелей их нужно периодически, в определенные моменты времени подталкивать. Можно выбрать величину подталкивающей силы так, что амплитуда колебаний будет оставаться неизменной. В этом случае потери энергии при колебании, например связанные с трением, сопротивлением воздуха и другими причинами, будут компенсироваться за счет внешнего периодического воздействия. В электронике роль подобной колебательной

системы может играть колебательный контур. Для того чтобы возникшие в нем колебания не затухали, нужно периодически подзаряжать конденсатор. Подобная подзарядка от источника питания осуществляется автоматически с помощью транзисторного усилителя (рис. 86). Часть переменного напряжения с контура через катушку обратной связи подается на вход транзистора, который, соответственно, меняет свое сопротивление. В результате этого в строго определенные моменты времени происходит подзарядка конденсатора от источника питания. В этой схеме имеются следующие узлы и цепи, характерные для различных типов генераторов: колебательная система, цепь обратной связи и усилитель.

Сделаем небольшое отступление. До настоящего времени при описании колебаний мы использовали следующие понятия: период, частота и амплитуда. Теперь, когда возникла необходимость иметь характеристики колебательного процесса в различные его моменты, нужно ввести новое понятие — фаза колебания. Для этого сравним графики двух напряжений одинаковой частоты и амплитуды (рис. 87). Напряжение в одни и те же моменты принимает нулевое и амплитудное значения, но имеет различные знаки. Такие колебания отличаются одной характеристикой — фазой, она у них противоположна.

Разность фаз электрических колебаний, или, как принято

Рис. 86. Генератор с колебательным контуром

Рис. 87. Графики сдвинутых по фазе напряжений

Рис. 88. Графики совпадающих по фазе напряжений

говорить, их сдвиг, определяется тем, на какую часть периода смещены их графики друг относительно друга. Если они смещены на половину периода, то колебания проходят в противофазе, если смещения нет или оно равно целому числу периодов, то фазы колебания совпадают или они синфазны (приставка «син» означает «одновременный», «одинаковый»), как показано на рис. 88.

Вернемся к работе генератора. Одним из основных условий его работы является совпадение по фазе напряжения обратной связи и выходного напряжения. Достигается это правильным включением катушки обратной связи. На схеме генератора начала катушек контура и обратной связи (предполагается, что они намотаны на общем каркасе в одну сторону) помечены точками. При правильном включении возрастание коллекторного тока и, соответственно, повышение потенциала коллектора должны приводить к понижению потенциала базы транзистора. Это вызывает еще большее возрастание коллекторного тока. При уменьшении тока коллектора обратная связь проявляется в том, что он начинает еще больше уменьшаться. Если концы катушек включены неправильно, то осуществляется отрицательная обратная связь. Колебания, возникшие в контуре в момент включения, в этом случае сразу затухнут, так же как колебания качелей, подталкиваемых против движения.

Возможна другая схема генератора, состоящего из одного усилителя, без колебательной системы. Допустим, на его вход подается напряжение а на выходе имеется усиленное напряжение Теперь если часть выходного напряжения, равную подать на вход и одновременно отключить входной сигнал, то на выходе, очевидно, должно сохраниться то же напряжение т. е. усилитель начинает работать в режиме генератора. Важным условием возникновения и поддержания колебаний и в этом случае является совпадение по фазе напряжения обратной связи с выходным напряжением.

Вспомним звуковой генератор, полученный из микрофонного усилителя § 17, задание 2 самостоятельной работы). Когда телефон подносится к микрофону, то происходит самовозбуждение электрических колебаний в усилителе. Объясняется это явление следующим образом. Достаточно незначительных колебаний мембраны телефона, возникающих, допустим, из-за шума или случайных изменений тока в цепи базы, чтобы в коллекторной цепи возник усиленный ток. Он вызовет значительно большие колебания мембраны телефона, которые по воздуху передаются мембране микрофона. Если фазы колебаний мембраны совпадают, то произойдет самопроизвольное возбуждение колебаний, т. е. усилитель превращается в генератор.

Рис. 89. Двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью — мультивибратор

Рис. 90. Схемы мультивибратора с симметричным расположением деталей

Условие совпадения или баланса фаз выполняется также в двухкаскадном усилителе с положительной обратной связью, который является генератором электрических колебаний прямоугольной формы (рис. 89). Генератор такого типа часто применяют на практике, в частности в радиолюбительских конструкциях. Он имеет специальное название - мультивибратор. Его схему обычно чертят с симметричным расположением деталей (рис. 90). Длительность импульсов зависит от емкости конденсаторов и сопротивления резисторов в цепях базы транзисторов. С увеличением емкости длительность импульсов возрастает.

Мультивибратор можно собрать также на основе операционного усилителя (рис. 91). В этой схеме имеется две цепи обратной связи. Положительная обратная связь подается на один вход с делителя напряжения Отрицательная обратная связь подается на другой вход, соединенный с конденсатором С, через резистор

Прежде чем выявить причину возникновения в схеме прямоугольных колебаний, напомним особенность работы операционного усилителя. Он имеет два входа, один называется инвертирующим, так как сигнал, поданный на этот вход, находится в противофазе с усиленным выходным сигналом. Другой вход называется неинвертирующим, так как входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Когда напряжения на входах операционного усилителя равны, то напряжение на выходе равно нулю. Превышение напряжения на каждом из входов приводит к изменению знака выходного напряжения. Из-за большого коэффициента усиления достаточно незначительного различия входных напряжений, чтобы напряжение на выходе приняло одно из край: них значений: или —

Рис. 91. Мультивибратор на основе операционного усилителя

Рис. 92. Графики напряжения на конденсаторе и на выходе операционного усилителя

Вернемся к мультивибратору, собранному из операционного усилителя. Допустим, что в начальный момент времени на выходе имеется напряжение Это приведет к заряду конденсатора через резистор . С течением времени напряжение на нем и, следовательно, на инвертирующем входе станет равным напряжению на другом входе и будет превышать его. Это приведет к резкому изменению выходного напряжения, оно становится равным — Теперь конденсатор будет уже разряжаться до тех пор, пока его напряжение не уменьшится до значения отрицательного напряжения, подаваемого с делителя . В этот момент выходное напряжение опять резко изменится, оно станет равным Далее процессы в мультивибраторе повторяются. График изменения напряжения на конденсаторе и на выходе операционного усилителя показан на рисунке 92.

Операционный усилитель можно использовать также для получения гармонических колебаний, если в цепь положительной обратной связи включить -цепь, имеющую узкую полосу пропускания частот. С ее свойствами мы познакомились в § 14. Частота колебаний будет равна т. е. частоте, при которой с RC-цепи подается наибольшее напряжение на вход усилителя. На этой же частоте выполняется условие баланса фаз для генератора.

Рис. 93. Звуковой генератор синусоидальных колебаний на основе операционного усилителя

Для возникновения колебаний необходимо также подобрать нужный коэффициент усиления. Делается это с помощью переменного резистора включенного в цепь отрицательной обратной связи (рис. 93). Индикатором электрических колебаний может служить телефон, подключенный к выходу усилителя.

(см. скан)