что такое генератор незатухающих электромагнитных колебаний
Генератор незатухающих колебаний
В настоящее время существует большое количество самых разнообразных схем генераторов высокой частоты с самовозбуждением. Считается, что все они сводятся к индуктивной или’емкост-ной трехточке. Однако еще в 1971 г. я разработал схему, которую затрудняюсь отнести к одному из двух вышеуказанных типов. На мой взгляд, в данном случае более уместна аналогия с физическим маятником, который имеет источник пополнения энергии и, в свою очередь, часть энергии расходует на управление этим источником (не считая, разумеется, внешних потерь). Особенностью схемы является то, что колебательный LC-контур, определяющий генерируемую частоту, не связан со схемой никакими проводниками и конденсаторами. То есть имеет место только индуктивная связь, причем колебательный контур выполняет не только селективную, но и фазовращающую роль. Устройство было экспериментально проверено, подтверждена его работоспособность. Была даже подана заявка на изобретение (к сожалению, потом «зарубленная»).
Все-таки я хочу предложить читателям эту схему генератора.
Напряжения и поля по разную сторону от резонансной частоты у параллельного контура L1, С1 противофазны, следовательно, внесение его в промежуток между L2 и L3 приводит к выполнению условия баланса фаз, т.е. общий фазовый сдвиг оказывается равным 360°. При достаточном петлевом усилении, которое определяется усилением каскада VL1, величиной связи L3-L1, L1-L2 и потерями, наступает генерация.
Понятно, что при двух усилительных каскадах, каждый из которых поворачивает фазу на 180°, концы одной из катушек связи (L2 или L3) следует поменять местами.
Физика работы данной схемы весьма наглядна по сравнению со схемами «трехточек», и действительно напоминает «физический маятник». В то же время, данная схема по принципу работы отличается от некоторых похожих схем с затягиванием частоты. Реализация такого генератора возможна и на транзисторах, причем генерацию проще получить при применении двух усилительных каскадов.
Данная схема может быть использована для бесконтактной схемы переключения поддиапазонов в приемнике. Выполнение контура в виде ключа может быть полезно для электронных замков. Кроме того, схему можно использовать для емкостных реле, т.к. связь можно регулировать очень легко (изменением расстояния между катушками).
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)
Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.
Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль «клапана» играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку Lсв индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.
При замыкании цепи через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор С колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромагнитные колебания малой амплитуды. Ток, протекающий по контурной катушке L, индуцирует на концах катушки обратной связи переменное напряжение. Под действием этого напряжения электрическое поле эмиттерного перехода периодически то усиливается, то ослабляется, а транзистор то открывается, то запирается. В те промежутки времени, когда транзистор открыт, через него проходят импульсы тока. Если катушка Lсв подключена правильно (положительная обратная связь), то частота импульсов тока совпадает с частотой колебаний, возникших в контуре, и импульсы тока приходят в контур в те моменты, когда конденсатор заряжается (когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно). Поэтому импульсы тока, проходящие через транзистор, подзаряжают конденсатор и пополняют энергию контура, и колебания в контуре не затухают.
Если при положительной обратной связи медленно увеличивать расстояние между катушками Lсв и L, то с помощью осциллографа можно обнаружить, что амплитуда автоколебаний уменьшается, и автоколебания могут прекратиться. Это значит, что при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур, меньше энергии, необратимо преобразуемой во внутреннюю. Таким образом, обратная связь должна быть такой, чтобы: 1) напряжение на эмиттерном переходе изменялось синфазно с напряжением на конденсаторе контура — это фазовое условие самовозбуждения генератора; 2) обратная связь обеспечивала бы поступление в контур столько энергии, сколько ее необходимо для компенсации потерь энергии в контуре — это амплитудное условие самовозбуждения.
Частота автоколебаний равна частоте свободных колебаний в контуре и зависит от его параметров.
Уменьшая L и С, можно получить высокочастотные незатухающие колебания, используемые в радиотехнике.
Амплитуда установившихся автоколебаний, как показывает опыт, не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы — напряжением источника, расстоянием между Lсв и L, сопротивлением контура.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 394-395.
Генератор незатухающих колебаний
Разделы: Физика
Особое внимание в 11-ом классе уделяю изучению принципа работы генератора незатухающих колебаний. Предлагаю его тогда, когда изучены: Колебательный контур; Переменный электрический ток; Генерирование электрической энергии; Трансформатор; Производство передача и использование электроэнергии.
Это даёт возможность изучать генератор:
Тогда на экране появится схема генератора:
и вопрос: что нужно к нему добавить, чтобы излучать электромагнитные волны в пространство? Ответ: открытый колебательный контур. Добавим:
и объясняем принцип действия радиотелеграфа.
На уроке: Принцип радиосвязи, ставим проблему: В какую часть генератора надо ввести токи звуковой частоты, чтобы они изменили амплитуду колебаний тока. Обязательно найдутся ученики, которые сообразят, что включить моделирующее устройство надо в анодную цепь.
Генератор незатухающих колебаний.
План урока:
Повторение пройденного материала. Фронтально. Основная цель опроса: закрепление пройденного материала и подготовка к изучению нового материал.
Разбор нового материала с применением презентации:
1. Постановка задачи: получить незатухающие электромагнитные колебания любой частоты.
2. Для решения этой задачи нужно применить автоколебательную систему. Вспомнить основные признаки этой системы: наличие колебательной системы, в которой могут возникать свободные колебания; источника энергии для восполнения потерь; обратной связи, которая регулирует подачу энергии в колебательную систему в такт колебаний.
3. Установить составные части генератора незатухающих колебаний:
4. Принцип действия генератора рассматриваем по половинам периодов.
5. После устного разбора, ученики под руководством учителя перечерчивают чертежи в тетради и под диктовку записывают подробное пояснение.
На следующем уроке:
После подробного повторения и закрепления изученного лампового генератора, я рассказываю обо всех отрицательных их качествах и о том, что только в некоторых отраслях техники ещё применяют такие генераторы. В радио и телевидении применяют транзисторные генераторы, демонстрирую слайд 15 из презентации и кратко поясняю сущность его работы и подробно преимущества.
Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)
Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.
Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль «клапана» играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку Lсв индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.
1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).
2. Колебательная система — та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, — клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).
В генераторе на транзисторе вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.
Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 150 ; Нарушение авторских прав
Генератор электромагнитных колебаний.
Генератор электромагнитных колебаний
Генератор электромагнитных колебаний представляет собой один из примеров автоколебательных систем.
Получение незатухающих колебаний в контуре.
Если конденсатор колебательного контура заряжен, то в контуре возникают затухающие колебания. Электрическая энергия W переходит во внутреннюю энергию:
.
Пополнять энергию колебательного контура можно, подзаряжая конденсатор. Для этого контур подключают к источнику тока. Контур подключается к источнику тока только в те интервалы времени, когда пластина конденсатора, присоединенная к положительному полюсу источника, заряжена положительно.
Если источник постоянного тока будет все время подключен к контуру, то в 
энергия поступает в контур, а следующую
возвращается в источник, т. е. колебания затухают.
Частота колебаний, возникающих в контуре, определяется его параметрами (индуктивностью и емкостью), а амплитуда колебаний – напряжением на источнике (его эдс).
Незатухающие колебания установятся в том случае, если контур будет подключаться к источнику только в первую половину периода. Для выполнения такого условия ключ должен замыкать и размыкать цепь с частотой, соответствующей частоте электромагнитных колебаний контура. Однако механический ключ инертен.
Безынерционным ключом является транзистор. Транзистор обеспечивает поступление энергии к колебательному контуру, если напряжение на электронном переходе меняется синфазно с напряжением на контуре.
Генератор высокочастотных колебаний на транзисторе
Первая четверть периода. Положительно заряженная пластина конденсатора, соединенная с коллектором, разряжается. Ток в колебательном контуре возрастает до максимального значения. В катушке связи возникает индукционный ток такого направления, что база имеет отрицательный потенциал относительно эмиттера. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Транзистор открыт. Энергия от источника поступает через транзистор в колебательный контур (ключ замкнут).
Вторая четверть периода. Ток в контуре убывает. Верхняя пластина заряжается отрицательно. В катушке связи ток меняет направление. На базе положительный потенциал. Переход коллектор—база обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).
Третья четверть периода. Конденсатор разряжается. Ток растет до максимального значения, направлен от нижней пластины к верхней. В катушке связи ток направлен так, что база получает положительный потенциал. Переход база — коллектор обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).
Четвертая четверть периода. Ток в контуре, не меняя направления, убывает. Верхняя пластина заряжается положительно.
В катушке связи ток меняется по направлению. Заряд на базе отрицательный. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Энергия поступает от источника в колебательный контур (ключ замкнут).
Таким образом, происходят незатухающие электромагнитные колебания за счет поступления энергии от источника в колебательный контур в течение 1/2 Т.