Двухточечный LC-автогенератор с трансформаторной обратной связью
Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 - Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с трансформаторной обратной связью
В этом генераторе в качестве усилительного элемента используется транзистор VT1 включенный по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора является параллельный колебательный контур L2 C2. Этот контур используется как колебательная система, с помощью которой формируются колебания, и как избирательная цепь, от которой зависит частота и форма колебаний. Катушки индуктивности L1 и L2 образуют высокочастотный трансформатор. Кроме того катушка L1 является элементом обратной связи, с помощью которого колебания подаются на базу транзистора. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. С его помощью на транзистор подается напряжение смещения U0, которым задается положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Резистор R3 является температурной стабилизацией транзистора. Также R3 с конденсатором C4 образуют цепь автоматического смещения, которая осуществляет перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий. Конденсаторы С1 и С3 являются разделительными, и отделяют постоянную составляющую тока питания от переменной составляющей колебания. Электропитание генератора осуществляется от источника Ек.
Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении источника питания Ек происходит заряд конденсатора C2, который затем разряжается на L2. Таким образом, в контуре появляются колебания. Эти колебания, за счет ЭДС взаимоиндукции, возбуждают переменное напряжение в катушке L1, которое вместе с напряжением смещения U0 поступает на базу транзистора. За счет усилительных свойств возникшие колебания нарастают. По мере нарастания амплитуды колебаний возрастает ток базы транзистора. Постоянная составляющая этого тока создает падение напряжения на R3 (переменная составляющая этого тока проходит через конденсатор С4). В результате этого, напряжение смещение, подаваемое на транзистор, уменьшается. Уменьшение U0 приводит к смещению рабочей точки вниз по характеристике, и генератор переходит в жесткий режим самовозбуждения. Колебания возрастают до значения точки устойчивого равновесия, и затем генератор переходит в стационарный режим работы.
Условие баланса амплитуд выполняется за счет усилительных свойств транзистора. Условие баланса фаз выполняется за счет транзистора включенного по схеме с общим эмиттером (осуществляет сдвиг фазы на 180°) и катушек индуктивности L1 и L2 (при подобном включении, каждая катушка сдвигает фазу на 90°).
Частота колебаний вырабатываемых данным автогенератором определяется выражением
wг=l(sqlrt(L2С2)) (15)
Амплитуда генерируемых колебаний определяется выражением
Umвых=Im1?wг?L2 (16)
Коэффициент обратной связи определяется выражением
Кос=М/L2 (17)
где М — взаимная индуктивность между катушками L1 и L2.
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством
М(sqrt(L2C2 ? QSдиф))>1 (18)
где Q — добротность колебательного контура;
Sдиф — дифференциальная крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента.
Трехточечные автогенераторы
Как отмечалось выше трехточечным автогенератором является генератор, в котором колебательный контур подключается к усилительному элементу тремя точками. В этих генераторах используются колебательные контуры второго и третьего рода. Чтобы определить местоположение элементов колебательной системы таких генераторов рассмотрим обобщенную трехточечную схему. В этой схеме (рисунок 12) элементы колебательной системы заменим реактивными сопротивлениями XКБ, XБЭ, XКЭ (активными сопротивлениями можно пренебречь). Индексы обозначают точки подключения этих элементов к транзистору.
Элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками индуктивности или более сложными электрическими цепями. В такой схеме автогенератора колебания могут возникнуть на частоте генерации fг при выполнении условия резонанса
XКБ+XБЭ+XКЭ=0 (19)
Рисунок 12 - Обобщенная трухточечная схема автогенератора
Следовательно, один из элементов должен иметь противоположный знак по отношению к двум другим элементам. Определить знаки элементов можно исходя из коэффициента обратной связи
Кос= XБЭ/XКЭ (20)
Согласно уравнению автогенератора коэффициент обратной связи должен быть положительным. Следовательно элементы XБЭ, XКЭ должны иметь одинаковый знак, а элемент XКБ должен иметь противоположный знак. В соответствии с вышеизложенным можно составить два варианта трехточечных схем: емкостную (рисунок 13, а) и индуктивную (рисунок 13, б).
Рисунок 13 - Упрощенные трёхточечные схемы автогенераторов
Одним из генераторов, эквивалентным трехточечной индуктивной схеме, является LC автогенератор с автотрансформаторной связью. Принципиальная электрическая схема этого генератора приведена на рисунке 14.
Рисунок 14 - Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с автотрансформаторной обратной связью
В этом генераторе используется колебательный контур второго рода L1 C4. Колебательный контур подключается к транзистору VT1 через блокировочные конденсаторы большой емкости С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Начальное смещение рабочей точки задается делителем напряжения R1 R2. Перевод генератора из мягкого режима самовозбуждения в жесткий осуществляется цепью автоматического смещения R3 C3. Элементы С2 R4 выполняют функции фильтра цепи питания, который предотвращает влияние высокочастотных колебаний на источник постоянного тока Ек.
Конденсатор С5 является разделительным конденсатором, он предотвращает поступление постоянной составляющей тока питания в нагрузку. Элементом обратной связи является часть витков катушки L1 включенная между базой и коллектором транзистора. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (часть витков катушки L1 включенная между коллектором и эмиттером) и емкостной ветвью (конденсатор С4 и часть витков катушки L1 включенная между базой и эмиттером транзистора). Т. к. токи в этих ветвях в любой момент времени противофазны, то баланс фаз будет соблюден (транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, также дает сдвиг фазы 180°).
Частота колебаний генератора с автотрансформаторной связью определяется выражением
wг= l(sqrt( L1 C4) (21)
Коэффициент обратной связи для этого генератора определяется выражением
Кос=Lбэ/Lкэ (22)
где Lбэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между базой и эмиттером транзистора VT1;
Lкэ — индуктивность катушки L1 образованная витками, включенными между коллектором и эмиттером транзистора VT1.
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством
LбэLкэQSдиф/sqrt (Lбэ +Lкэ)^3 C4 >1 (23)
Принципиальная электрическая схема LC автогенератора с емкостной обратной связью эквивалентный трехточечной емкостной схеме приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 - Принципиальная электрическая схема LC-автогенератора с емкостной обратной связью
В этом генераторе используется колебательный контур третьего рода С4 С5 L2. Контур подключается к транзистору через блокировочные конденсаторы С2 С3 и разделительный конденсатор С1. Дроссель L1 с конденсатором С7 образуют фильтр цепи питания. В данной схеме используется схема параллельного коллекторного питания, в которой источник питания, колебательный контур и транзистор включены параллельно друг другу. Элементом обратной связи является конденсатор С5. Назначение остальных элементов схемы аналогично схеме представленной на рисунке 14. Колебательный контур образован индуктивной ветвью (элементы L2 С5) и емкостной ветвью (конденсатор С4). Токи в этих ветвях в любой момент противофазны, поэтому баланс фаз также соблюдается.
Частота колебаний автогенератора с емкостной обратной связью определяется по выражению
wг= sqrt((C4+С5)/(С4 С5 L2)) (24)
Коэффициент обратной связи этого генератора определяется как
Кос=С4/С5 (25)
Условия самовозбуждения генератора определяются неравенством:
sqrt(С4С5L2Qsдиф)/(C4+C5)^3 > 1 (26)