Колебательный контур

Колебательным контуром называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из индуктивности L и емкости С. Контур - идеальный, если в нем отсутствуют потери энергии, но в реальном контуре кроме индуктивности и емкости имеется активное сопротивление R, которое распределено в катушке индуктивности, в соединительных проводах и диэлектрике конденсатора и вызывает потери энергии в контуре.

Свободными колебаниями в контуре называются колебания, возникающие в нем за счет энергии, первоначально накопленной в электрическом поле конденсатора либо в магнитном поле катушки. В идеальном контуре свободные колебания являются незатухающими, т. е. могут продолжаться бесконечно долгое время.

Рис.5.1.Схема колебательного контура(а) и графики тока и напряжения в идеальном контуре (б)

Колебательный контур, близкий по своим свойствам к идеальному, можно получить, замкнув в контуре на рис.5.1, а, ключ К. Если переключатель S поставить в положение 1,то конденсатор С зарядится от источ-ника питания до напряжения Е₀.

При переводе переключателя в положение 2 конденсатор С начнет разряжаться через катушку L. Ток возрастёт и энергия перейдёт в энергию магнит­ного поля катушки. Когда конденсатор полностью разрядится, напряжение на его обкладках исчезнет, а ток в контуре будет максимальным. Из-за отсутствия силы, поддерживающей ток, он уменьшится. При этом увеличится ЭДС самоиндукции обратной полярности и конденсатор зарядится с новой полярностью. Роль источника в это время выполняет катушка. По мере зарядки конденсатора напряжение на его обкладках возрастет, а ток в контуре уменьшится. После оконча­ния зарядки конденсатор начнет разряжаться через катушку, и процесс по­вторится. На рис. 5.1,бпоказаны графики изме­нения напряжения и тока в идеальном контуре.

5.2. Генераторы LС типа

Любой автогенератор L C-типа состоит из колеба­тельного контура, в котором возбуждаются незату­хающие колебания требуемой частоты; источника электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания; транзис­тора, посредством которого регулируется подача энергии от источника в контур; элемента обратной связи, обеспечивающего передачу переменного напря­жения необходимой величины из выходной цепи во входную для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре.

Рис.5.2.Схема автогенератора L C-типа с трансформаторной связью

Колебательный контур состоит из индуктивной катушки L _K и конденсатора С _к. Источ­ник энергии - источник постоянного напря­жения Е _к, отдающий часть энергии в контур в моменты, когда в его внешней це­пи из колеб. контура и парал­лельно соединенного транзистора, проходит ток. Регулятором служит транзистор, цепью обрат­ной связи — катушка L _б.

При включении источника питания в коллектор­ной цепи транзистора возникает ток коллектора, заряжающий конденсатор колебательного кон­тура. После зарядки конденсатор разряжается на катушке L _к и в контуре возникают свободные колебания с частотой f ₀ = , которые индуцируют в катушке связи L ₆переменное напряже­ние с частотой, с которой происходят колебания в контуре, что вызывает пульсацию тока коллектора. Переменная составляю­щая этого тока восполняет потери энергии в контуре, создавая в нем переменное напряжение. Повышение напряжения на контуре увеличивает напряжение на катушке обратной связи L ₆, которое увеличивает амплитуду переменной составляющей коллектор­ного тока, и т. д. В установившемся режиме рост тока в контуре ограничивается сопротивлением потерь, а также затуханием, вносимым в контур за счет прохождения тока по обмотке обратной связи L _б. Элементы схемы R _б, С _б,, R _э, С _э предназначены для обеспечения необходимого режима работы по по­стоянному току и его термостабилизации. Дроссель L _др является препятствием для переменной состав­ляющей коллекторного тока, а конденсатор С _р — для его постоянной составляющей.

Незатухающие колебания в контуре автогенера­тора установятся лишь при выполнении двух основ­ных условий:

1. Условие баланса фаз - в схеме генератора должна быть установлена положительная обратная связь между выходной и входной цепями транзистора. В этом режиме обеспечивается восполнение потерь энергии в контуре. Условие выполняется, если напряжения на коллекторе и базе будут сдвинуты на 180°, т. е. находятся в противофазе, а это достигается соответ­ствующим включением концов катушек L _Kи L _б. При отсутствии самовозбуждения необходимо переклю­чить концы катушки L_б.

2. Условие баланса амплитуд - для возникновения автоколебательного режима необходима положительная обратная связь с выхода усилительного элемента на его вход, причем зату­хание в контуре должно компенсироваться.

5.3. Генераторы RС - т и п а

В настоящее время для решения ряда задач тре­буются низкочастотные автогенераторы синусоидаль­ных колебаний, работающие в диапазоне частот oт долей герца до сотен килогерц. Генерация таких коле­баний с помощью LC -генераторов связана с больши­ми конструктивными трудностями. В LC -генераторах при уменьшении частоты генерации необходимо уве­личивать индуктивность L _K и емкость С _к колебатель­ного контура, что приводит к резкому возрастанию его габаритов и массы.

Этого недостатка лишены автогенераторы RC-типа, в которых вместо колебательных контуров используют избирательные RC -фильтры. В этой схеме используется обычный резистивный усилитель. Для самовозбуждения усилителя необходимо на вход усилителя подать часть выходного напряжения, превышающего входное или равное ему по величине и совпадающее с ним по фазе.

Для обеспечения необходимого фазового сдвига применяют фазовращающие цепочки, которые имеют несколько RC звеньев и служат для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. В связи с тем что одно RC звено изменяет фазу на угол меньше 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки равно трем.

Рис.5.3.Схема автогенератора RC - типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой

Для того чтобы частота генерируемых колеба­ний зависела, главным образом, от параметров фазо­вращающей цепочки, а амплитуда колебаний остава­лась бы стабильной в заданном диапазоне частот, уси­литель должен обладать большим коэффициентом уси­ления по току, значительным входным сопротивлени­ем и относительно малым выходным сопротивлением.

Работа автогенератора начинается с момента подачи на него напряжения Е_к. Делитель напряжения Rl, R2 обеспечивает открытие транзистора VT.При этом возникает импульс коллекторного тока, с частотами, включающими в себя и необходимую частоту генера­ции. Генерирование незатухающих колебаний требуе­мой частоты осуществляется за счет обеспечения фазовых и амплитудных условий самовозбуждения. Обеспечение фазовых условий достигается подбором соответствующих резисторов и конденсаторов, что дает фазовый сдвиг в 180° между напряжениями на коллекторе и базе. Для выполнения амплитудного условия коэффи­циент обратной связи должен быть равен β≈1 / h _21э,где h _21э — коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Поиск по сайту: