Автогенератор с трансформаторной обратной связью

 

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 6).

 

Рис. 6. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

 

Назначение элементов схемы:

1) транзистор VT p - n - p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

2) колебательный контур L _K C _K G _Э задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость G _Э характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

3) катушка L _Б обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура L _К (коэффициент взаимоиндукции М);

4) источники питания Е _Б и Е _К обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

5) конденсатор С _Р разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

6) блокировочные конденсаторы С _Б1 и С _Б2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

Физические процессы в генераторе.

При подключении источников питания Е _Б и Е _К эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток i _К(t), который в начале замыкается от + Е _К через эмиттер – базу – коллектор транзистора и емкость С _К на - Е _К, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор С _К заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура L _K G _Э и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через L _К, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке L _Б. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость С _Б1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур L _K C _K G _Э, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка L _Б включается встречно катушке L _К. В этом случае напряжение на базе U _БЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре U _К) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W (+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W (-) на проводимости G _Э. Практически это достигается выбором М > М_КР, где М_КР – величина М, при которой выполняется равенство W (+) = W (-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура

 

 

поскольку при Q >> 1, величина коэффициента затухания d

 

 

Достоинства схемы: возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения С _К) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.

Недостаток схемы заключается в том, что на высоких частотах затруднена регулировка амплитуды колебаний из-за влияния паразитной емкости между катушками L _K и L _Б, поэтому генераторы с трансформаторной обратной связью применяются в диапазонах длинных и средних волн (ДВ и СВ).

При расчете параметров генератора необходимо определить частоту генерируемых колебаний, резонансную частоту контура, добротность контура, а также выполнение амплитудного и фазового условия самовозбуждения.

Пример

Автогенератор с трансформаторной обратной связью (рис. 6) имеет параметры контура L _K = 3 мкГн, С _К = 90 пФ, G _Э = 25 Ом.

Определить частоту собственных затухающих колебаний колебательного контура w₁, резонансную частоту w₀ и добротность Q колебательного контура.

Решение задачи.

Поскольку включение катушек L _Б и L _K произведено встречно, что обеспечивает противофазное изменение напряжений на базе и коллекторе транзистора, то фазовое условие самовозбуждения выполнено. Амплитудное условие самовозбуждения будет достигнуто выбором М > М_КР.

Для определения режима свободных колебаний в контуре рассчитаем его параметры.

Частота собственных колебаний контура определяется выражением

 

 

Для ее определения вычислим резонансную частоту контура и коэффициент затухания контура:

 

 

Отсюда

 

 

Добротность контура вычислим по формуле

 

Как видно из приведенных расчетов, частота собственных колебаний и резонансная частота контура, при добротности Q >> 1, практически совпадает (квазиколебательный режим), что подтверждает теоретические положения.