Разработка автогенератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

автогенератор транзисторний енергетичний

Електронний генератор являє собою пристрій, що перетворює електричну енергію джерела постійного струму в енергію незатухаючих електричних коливань необхідної форми, частоти і потужності. За принципом роботи і схемного побудови розрізняють генератори з самозбудженням (автогенератори) і генератори із зовнішнім збудженням, які по суті є підсилювачами потужності генеруючих коливань заданої частоти. Електронні автогенератори поділяються на автогенератори синусоїдальних (гармонічних) коливань і автогенератори коливань несинусоїдальної форми, які прийнято називати релаксаційними (імпульсними) автогенераторами. Будучи першоджерелом електричних коливань, генератори з самозбудженням широко використовуються в радіопередавальних і радіоприймальних (супергетеродинних) пристроях, у вимірювальній апаратурі, в ЕОМ, в пристроях телеметрії і т. д.За діапазону частот генеруються генератори діляться на низькочастотні (від 0,01 Гц до 100 кГц), високочастотні (від 100 кГц до 100 МГц) і надвисокочастотні (від 100 МГц і вище).Широке впровадження складних радіоелектронних пристроїв в різні галузі народного господарства ставить перед розробниками радіоапаратури два найважливіші завдання: підвищення її надійності та зменшення маси і габаритів. Надійність апаратури в даний час підвищується за рахунок застосування відповідної елементної бази та спеціальних методів побудови систем, а основним напрямком мініатюризації виборчих та автоколивальних низькочастотних систем, зважаючи на відсутність реальних шляхів мініатюризації котушок індуктивності, є впровадження активних виборчих RC-ланцюгів (активних RC-фільтрів і RC -генераторів).Широкому поширенню транзисторних RC-генераторів синусоїдальних коливань сприяє простота виготовлення, існуючі високостабільні конденсатори і опору, стабільні операційні та інтегральні підсилювачі, а також технологічна перспективність, якщо врахувати прогрес технології мікромодулів і ланцюгів на основі твердого тіла.



1. Автогенератор

Автогенератором називається пристрій, в якому енергія джерела живлення перетворюється з енергію високочастотних коливань без зовнішнього збудження. Автогенератор (АГ) є первинним джерелом коливань, частота і амплітуда яких визначаються тільки власними параметрами схеми і повинні лише в малій мірі залежати від зовнішніх умов. В склад АГ обов'язково входять генераторний прилад (ГП), коливальний контур, коло позитивного зворотного зв'язку та джерело живлення. ГП керує порціями енергії, які надходять від джерела живлення в коливальну систему (КС) для підтримки коливань визначеної амплітуди. КС задає частоту коливань, яка звичайно близька до однієї із її власних частот.

АГ застосовується в якості задавального генератора, який входить до складу збуджувача передавача, гетеродина приймача, у вимірювальній і телевізійній апаратурі та багатьох інших пристроях. Вихідна потужність АГ звичайно грає суттєву роль тільки в однокаскадних передавачах. В багатокаскадних передавачах основні вимоги пред'являються до стабільності частоти АГ, яку неможливо поліпшити у наступних каскадах. Для стабілізації частоти намагаються по можливості захистити АГ від різних зовнішніх впливів: зміни напруг джерел живлення, температури навколишнього середовища, вібрацій, електромагнітних випромінювань.

Рисунок 1.1. Принципова схема транзисторного автогенератор з трансформаторним зв'язком

автогенератор транзисторний енергетичний

1.1 Принцип роботи автогенератора

Автогенератор складається з тих же елементів, що і генератор з зовнішнім збудженням. Відмінною особливістю АГ є наявність кола позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ) за допомогою якого в коло бази транзистора подається частина напруги з коливального контуру (рис. 1). Наявність кола ПЗЗ приводить при виконанні певних умов до самозбудження генератора. Коло ПЗЗ зображено на схемі у вигляді базової котушки L_Б, яка індуктивно зв'язана (М-коефіцієнт взаємоіндукції) з котушкою контуру L_К. Через це коло до бази транзистора підводиться змінна напруга збудження U_Б, яке пропорційне напрузі контуру U_кк.

У стаціонарному режимі АГ веде себе також, як генератор з зовнішнім збудженням, який поставлено у відповідний режим. Принципова відмінність АГ пов'язана з процесами виникнення і встановлення коливань. Після включення джерел живлення в АГ виникає стан нестійкої рівноваги. Коливання в контурі, які викликаються ударним збудженням при включенні джерел живлення і флюктуаціями струмів в колах генератора, підсилюються транзистором.

Флюктуаційні коливання струму обумовлені тепловими шумами і мають широкий спектр. Контур виділяє складові спектру, частоти яких близькі до власної частоти контура. Ці коливання знову підсилюються транзистором, знову поступають в контур і т.д. Перша гармоніка колекторного струму І_1К поповнює енергію у контурі за рахунок енергії джерел колекторного живлення. Якщо при цьому за період коливань енергія, що доставляється в контур, буде більше енергії, що витрачається за цей час в контурі, то надмір енергії піде на збільшення запасу енергії у контурі. Амплітуда коливань зростає, доки нелінійність характеристики транзистора не уповільнить зростання коливань. Поступово встановляться коливання з постійною амплітудою і частотою, близькою до частоти коливань контура. В цьому випадку енергія, яка доставляється в контур, дорівнює енергії втрат в контурі з урахуванням навантаження і кола зворотного зв'язку. У перехідному режимі різниця між цими енергіями витрачаються на збільшення (або зменшення) амплітуди коливань.

1.2 Методи аналізу автогенераторів з електростатичним керуванням електронним потоком

Оцінку усього механізму виникнення і встановлення коливань у автогенераторі можливо учинити за допомогою нелінійної теорії автогенераторів.

Метод Бак-дер-Поля

Для розв'язання рівняння (1.1) необхідно апроксимувати вольт- амперну характеристику транзистора і_к = ѓ(u) і обчислити крутизну S(u). Найбільш прийнятим є апроксимування ступеневим поліномом виду:

(1.1)

Ця залежність має локальні максимум U_МАКС і мінімум U_мін. Вона добре збігаєтеся з реальною залежністю і_к(и) тільки в межах ділянки між екстремальними точками. Тому апроксимування, яке використовується, придатне для дослідження такого режиму роботи АГ, при якому керуюча напруга незначно виходить за межі цієї ділянки.

Обчислимо:

(1.2)

Для розрахунку коефіцієнтів б₁ і б₃ скористаємося характерними точками: кривої рис. У точці и=U₀ S(и)=S₀ = б₁

В точках и = U_мін і и = U_макс

З урахуванням цього отримуємо:

(1.3)

Якщо підставити (1.3) в (1.4), то отримуємо:

(1.4)

Приведемо рівняння (1.5) до канонічної форми, для чого введемо позначення:

(1.5)

Крім того введемо «безрозмірні» напругу і час ф=щ₀t.

Після необхідних перетворень отримаємо рівняння, яке називаються рівнянням Ван-дер-Поля:

x⁴+x=е(1-x²)x¹ (1.6)

Через те, що добротність контура генератора велика, коливання носять квазігармонічний характер. Зміни амплітуди і фази коливань від періоду до періоду незначні. Тому розв'язання згадається у вигляді квазігармонічного коливання:

(1.7)

де Х(ф), ц(ф) -повільно змінювальні амплітуда і фаза коливання відповідно. Підставляючи вираз (1.6) в рівняння (1.7), після відповідних перетворювань, отримуємо розв'язання рівняння у вигляді:



(1.8)

,

де С₀=, ц₀-постійні інтегрування, які визначаються початковими умовами;

n₀ = , , стаціонарне і початкове значення амплітуди автоколивань.

Аналіз отриманих результатів дозволяє зробити такі висновки:

1) Коливання зростають, якщо X₀ < Х_ст, е >0, тобто при умові КS₀R_с > 1. Через те, що S₀= S_макс, то для забезпечення самозбудження АГ необхідно підбирати потрібну величину коефіцієнта зворотного зв'язку:

(1.9)

2) Обвідна коливань зростає по закону, близькому до експоненціального (рис.1.2)

3) Час встановлення амплітуди коливань залежить від початкових умов, параметрів АГ, режиму його роботи і визначається виразом:

(1.10)

В основному час встановлення залежить від добротності контуру, частоти генерування І початкових умов.



Рисунок 1.2. Форма радіоімпульсу

4) Стаціонарна амплітуда не залежить від початкових умов і повністю визначається параметрами генератора.

5) Початкова фаза коливань визначається початковими умовами і не залежить від часу. Це свідчить на можливість фазування АГ зовнішнім сигналом.

6) При прийнятих припущеннях частота коливань встановлюється миттєво і визначається параметрами контуру генератора.

Використання методу Ван-дер-Поля дозволяє вивчити процес встановлення коливань у автогенераторі.

Квазілінійний метод аналізу автогенератора

При вивченні встановлених коливань використовують квазілінійний метод, запропонований Ю.Б.Кобзаревим. Суть методу полягає в тому, що замість зміни миттєвих значень розглядають зміну амплітуди і частоти коливань.

Квазілінійний (як би лінійний) метод базується на таких положеннях:

1. Добротність коливальної системи велика. При цій умові можна вважати, що амплітуди коливань в контурі від одного періоду до другого практично не змінюються і залишаються постійними.

2.Нелінійний елемент - транзистор (лампа) являє собою лінійний елемент з комплексним коефіцієнтом передавання який називається середньою крутизною.

Таке представлення можливе в силу того, ще на вході транзистора діє квазігармонічна напруга, яка знімається з коливального контура. Колекторний струм транзистора, при умові, що Q_н >> 1 можна вважати тільки першою гармонікою колекторного струму.

Таким чином, при введених припущеннях струми і напруги в АГ виявляються гармонічними функціями часу і для аналізу амплітудних і фазових співвідношень у стаціонарному режимі можна використовувати метод комплексних амплітуд. Рівняння стаціонарного режиму автогенератора.

Для знаходження рівняння стаціонарного режиму АГ скористаємося виразом (3.8), який є справедливим для будь-якого генератора. Для зручності запису рівняння через комплексні амплітуди припустимо, що проникність транзистора D дорівнює нулю. Тоді можна вважати, що и_у =и_Б, К'= К. При цих припущеннях і після перетворення виразу при першій похідній в формулі (1.6) зобразимо рівняння стаціонарного режиму автогенератора у такому вигляді:

, (9)

де вираз в дужках характеризує згасання коливань в контурі,

Ї_К - комплексний опір контура,

Щ_1Б - комплексна амплітуда першої гармоніки напруги на базі.

Через те, що у стаціонарному режимі амплітуда коливань не змінюється, то в рівнянні (1.10) вираз при першій похідній дорівнює нулю, звідки умову стаціонарності режиму можна зобразити у вигляді:

(1.10)



Цей вираз називають комплексним рівнянням самозбудження, фізичний смисл якого можна пояснити за допомогою структурної схеми АГ (рис.1.3). На цій схемі АГ зображений послідовним включенням трьох чотириполюсників: нелінійного і двох лінійних:

Рисунок 1.3. Структурна схема транзисторного АГ

Комплексні коефіцієнти передавання коливального контуру, кола зворотного зв'язку і середньої крутизни відповідно дорівнюють:

(1.11)

(1.12)

(1.13)

Комплексні коефіцієнти можна записати через модульні значення:

, (1.14)

де , ц_z - фазовий зсув між першою гармонікою напруги на контурі і першою гармонікою колекторного струму:

, (1.15)



де , ц_к - фазовий зсув між першими гармоніками напруг на базі і коливальному контурі:

, (1.16)

де ц_с - фазовий зсув між першими гармоніками колекторного струму і напругою на базі.

Нехай при розімкненому колі зворотного зв'язку на вході транзистора АГ діє напруга Щ_1Б. Припустімо, що базу транзистора миттєво з'єднали з контуром через коло зворотного зв'язку. Стаціонарний режим АГ не порушується тому випадку, коли Щ_1Б(зз) = Щ_1Б, тобто при умові, коли загальний коефіцієнт передавання дорівнює одиниці, що відповідає необхідній умові.

Умови балансу амплітуд і фаз.

Комплексне рівняння можна представити у вигляді двох дійсних рівнянь

(1.17)

(1.18)

, (1.19)



Рисунок 1.4. Залежність середньої крутості прохідної характеристики від напруги на базі

Рівняння називається умовою балансу амплітуд, а (1.13) - умовою балансу фаз в автогенераторі.

Розглянемо умову балансу амплітуд. Через те, що в цій умові середня крутизна є функцією амплітуди, то вона (умова) дозволяє визначити стаціонарну амплітуду коливань автогенератора.

Для точності скористаємося графічним методом визначення стаціонарної амплітуди коливань. З цією метою умову (1.11) запишемо у вигляді:

(1.20)

Характер залежності S_сер від напруги на базі в основному визначається положенням робочої точки на характеристиці, тобто кутом відсічки. Якщо, наприклад, кут O > 90^о, то при збільшенні напруги на базі транзистора середня крутизна зменшується (рис.1.4)

Через те, що Z I K практично не залежать від напруги U_Б, залежність є лінія, яка паралельна осі абсцис. Точка перехрестя А цих графіків визначає стаціонарну амплітуду Щ_1БСТ. Фізичний смисл умови балансу амплітуд полягає в тому, що у стаціонарному режимі потужність Р = 0,5 І_1К·ІU_1КК, яка доставляється у контур струмом І_1К = дорівнює потужності втрат P_R = 0,5 :

, (1.21)

де - еквівалентний резонансний опір контуру.

Так як

,

то ліву частину рівняння (1.22) виразимо таким чином:

(1.23)

а праву частину зобразимо у вигляді:

. (1.24)

Отже, при заданій напрузі U_1Б значення потужності Р пропорційне величині S_СЕР, а значення Р_R - величині На рис. 4 крива I характеризує потужність Р,

а пряма 2 - потужність втрат Р_R. Тому у стаціонарному режимі справедлива рівність:

. (1.25)

Якщо Р < Р_R, то коливання згасають. Якщо Р > Р_R, то надлишок потужності йде на збільшення амплітуди коливань.

Проаналізуємо умови балансу фаз, базовий кут еквівалентного опору ц_Б(щ) суттєво залежить від частоти. Для простого паралельного контуру залежність визначається виразом:

(1.26)

Рисунок 1.5. Фазочастотна характеристика та залежність фазового кута

Фазові кути коефіцієнта зворотного зв'язку і середньої крутизни практично не залежать від частоти. Поява фазового кута ц_S обумовлена в основному інерцією електронів. Фазовий кут визначається втратами у коливальному контурі і базовому колі, зокрема за рахунок базового струму.

Отже, кути ц_S і ц_К залежать лише від режиму роботи автогенератора. Умова балансу фаз дозволяє визначити частоту коливань, які генеруються. Для визначення частоти таких коливань скористаймося графічним методом. З цією метою запишемо рівняння (1.18) у вигляді:

. (1.27)

На рис.1.5 значення - ц_КS представлені у вигляді прямої лінії.

Частота генерування щ_г визначається абсцисою точки перетину графіків ц_Z і -ц_КS. Із рис.1.5 видно, що в реальних умовах частота щ_г відрізняється від резонансної частоти контура. Чим вища добротність контура (Q'>Q), тим розбіжність між щ_г і щ₀ менша. Так як кут ц_КS<0,1, а Q?100, то Тому на практиці зважають, що щ_г? щ₀.

Через те, що фазові кути ц_S і ц_К малі, струм І_1К практично збігається по фазі з напругами Щ_1Б і Щ_{1 КК}. Із цього витікає важливий висновок. В автогенераторі напруга на базі завжди в фазі з напругою на контурі і в протифазі з напругою на колекторі.

Фізичний смисл цієї умови полягає у тому, що енергія в контур поступає в сприятливу фазу напруги на контурі. Іншими словами, енергія, яка вноситься в контур, поступає в такт з діючим в ньому власними коливаннями.

Стійкість стаціонарного режиму.

Умови балансу амплітуд і фаз є необхідними, але не достатніми умовами самозбудження АГ, так як для тривалого існування коливань ці умови повинні доповнюватися умовами стійкої рівноваги автогенератора по амплітуді і фазі.

Стан АГ вважається стійким, якщо після закінчення малого збуджувального впливу початковий стан генератора відновлюється.

Умову стійкості амплітуди можна отримати на основі графічного уявлення умови балансу амплітуди (рис.1.4). Припустимо, що в результаті зовнішнього впливу напруга на базі транзистора зросла на величину ДU. Якщо при цьому крутизна S_сер зменшується, то це викликає зменшення струму І_1К і отже, енергії, яка доставляється в контур (тобто Р < Р_R). В результаті цього частина накопиченої енергії в контурі буде витрачатися на покриття втрат.

Отже, амплітуда коливань буде зменшуватися, повертаючись до початкового значення. Якщо при зменшенні напруги крутизна S_сер буде збільшуватися то амплітуда коливань почне зростити, знову повертаючись до початкового значення.

Таким чином, амплітуда стаціонарних коливань стійка, якщо крутизна характеристики S_сер (U_1Б) біля різновагової точки А (рис.1.4) від'ємна:



(1.28)

Для знаходження умови стійкості частоти скористаємося графіками на рис.3.6. Нехай у початковому стані виконується умова балансу фаз (1.16). Припустимо, що у результаті будь-яких причин частота коливань генерування зросла на величину Дщ. Якщо при новому значенні частоти щ+Дщ сумарний зсув фаз стане від'ємним:

(1.29)

то це приводить до запізнення по фазі керуючої напруги на кут -- Дц_Z(щ) < 0 (рис.1.5). В результаті цього енергія в контур буде поступати не в такт з коливанням у контурі попередніх циклів, а з деяким запізненням, що приведе до того, що у перехідному режимі період коливань почне збільшуватися. Отже, частота їх почне зменшуватися, повертаючись до податкового значення. Зменшення частоти буде компенсувати базовий набіг, який виникає.

Так як зміна бази відбувається за рахунок зміни кута ц_Z, то умова стійкості має вигляд:

(1.30)

Отже, частота автоколивань стійкісна, якщо коливальна система має фазову дисперсію і крутизна фазочастотної характеристики біля стаціонарної частоти є від'ємною.



1.3 Режими самозбудження автогенератора

Аналіз режимів самозбудження АГ проводять звичайно за допомогою коливальних характеристик. Коливальною характеристикою АГ називається крива, яка виражає залежність амплітуди першої гармоніки колекторного струму І_К від амплітуди першої гармоніки напруги на базі U_1Б.

Вид коливальної характеристики залежить від вибору початкової робочої точки на прохідній характеристиці (рис.1.2). Коливальна характеристика (КХ) знімається експериментально при розімкненому колі зворотного зв'язку. При виборі робочої точки на лінійній ділянці прохідної характеристики коливальна характеристика має вигляд опуклої кривої (рис.1.6). Зростання першої гармоніки колекторного струму із збільшенням напруги U_1Б має місце до тих пір, поки базовий струм порівняно малий, тобто,доки режим роботи АГ недонапружений. Подальше збільшення напруги переводить генератор у перенапружений режим, в зв'язку з чим перша гармоніка І_1К спадає. Якщо робоча точка вибирається у нижній нелінійній частині прохідної характеристики (O<90°), то коливальна характеристика має точку перегинання (рис.1.2). При малих амплітудах напруги імпульс колекторного струму дуже малий. Із зростанням напруги не базі перша гармоніка І_1К зростає спочатку повільно, так як:

Рисунок 1.6. Залежність струму від коефіцієнта зворотного зв'язку у м'якому режимі самозбудження

Зміни струму відбуваються на ділянці прохідної характеристики, де крутизна мала, а потім при збільшенні напруги U_1Б зміни колекторного струму захоплюють ділянки характеристики з більшою крутизною і зростання, першої гармоніки І_1к стає більш інтенсивним. Подальше збільшення напруги U_1Б приводить до уповільнення зростання, а потім і до зменшення амплітуди першої гармоніки колекторного струму, по пов'язано з переходом АГ у перенапружений режим.

Найбільш точним методом аналізу режимів самозбудження є графічний з використанням коливальних характеристик автогенератора. Суть цього методу полягає в наступному. Умова балансу амплітуд зображається у вигляді двох залежностей - коливальної характеристики і прямої зворотного зв'язку, які наносяться на площину з координатами I_1К і U_1Б.

Потім досліджується початковий стан рівноваги і визначається характер самозбудження автогенератора.

Скористаємося цим методом для вивчення режимів самозбудження. Помноживши обидві частини рівняння (1.17) на величину U_1Б, отримуємо коливальну характеристику у вигляді:

, (1.31)

і прямі зворотного зв'язку:

. (1.32)

Перше рівняння визначає амплітуду струму I_1К при впливі на базу напруги з амплітудою U_1Б. Друга - амплітуду напруги обумовлену струмом U_1Б за рахунок кола зворотного зв'язку. В залежності від того, як перетинає пряма зворотного зв'язку (ПЗЗ) коливальну характеристику, розрізняють два режими самозбудження - м'який і жорсткий.

У м'якому режимі (МР) робоча точка вибирається на лінійній ділянці і тому достатньо появи дуже малої амплітуди напруги на базі, яка виникає за рахунок флуктуацій носіїв заряду, щоб коливання почали зростати до значень, при яких автогенератор прийде в сталий стан. Спочатку коливання зростають за експонентою (рис.1.2). Потім швидкість зростання коливань збільшується, а по мірі наближення амплітуди до сталого значення уповільнюються. Якщо КХ проходить вище прямої зворотного зв'язку (рис.1.7), то в точці І виконується критерій стійкості амплітуди, який можна записати у вигляді:

(1.33)

Згідно з цим критерієм точка 0 для МР є нестійкою.

Рисунок 1.7. Залежність коливальної характеристики в м'якому режимі

Таким чином, аналіз графіків (рис.1.7) показує, що в м'якому режимі пряма 33 перетинав КХ тільки з одній точці (точка І). Ця точка визначає сталий стан автогенератора. В цьому стані АГ самостійно зберігає амплітуду сталого коливання.

ЗІ зміною коефіцієнта К (при фіксованому значенні R_е) змінюється нахил прямої 33 і переміщується точка II перетинання з коливальною характеристикою. На рис. 3.9,6 приведена залежність амплітуди струму І_1К від величини коефіцієнта зворотного зв'язку. Коливання виникають при мінімальному коефіцієнті зворотного зв'язку К_МІН. По мірі збільшення коефіцієнта К плавно змінюється величина першої гармоніки колекторного струму. Якщо потім зменшувати коефіцієнт К, то зрив коливань відбудеться при тому ж мінімальному коефіцієнті К_МІН. Виникнення і зрив коливань при одному і тому ж коефіцієнті К є характерною особливістю м'якого режиму. Перевагою МР є те, що збудження АГ відбувається при малій амплітуді напруги збудження. В м'якому режимі кут відсічки виявляється більше 90⁰, що енергетично невигідно. Це є недоліком м'якого режиму самозбудження генератора.

В жорсткому режимі (ЖР) робоча точка вибирається в нижній нелінійній частині прохідної характеристики і пряма 33 перетинам коливальну характеристику у двох точках 1 і 2 (рис.1.9, а).

Рисунок 1.8. Залежність коливальної характеристики в жорсткому режимі

При цьому частина КХ проходить нижче, а частина вище прямої 33. Тому необхідно оцінити стійкість режимів роботи АГ в точках перетинання 1 і 2. Припустимо, що при якихось обставинах амплітуда напруги на базі транзистора стала менше.

При цьому напруга на коливальному контурі зменшиться, що приведе до зниження амплітуди в колі зворотного зв'язку і отже, і напруги на базі. Це призводить до ще більшого зменшення напруги в контурі, що викликає згасання коливань у генераторі. процес встановиться тільки тоді, коли коливання повністю згаснуть, тобто точка 0 з стійкою. При перевищенні амплітуди напруги на базі значення коливання будуть зростати до тих пір, доки їх амплітуда не досягне значення . Таким чином, точка 1 хоча і відповідає умовам балансу амплітуд, але не являється стійкою. Найменші відхилення амплітуди напруги на базі відносне в ту або іншу сторону приведуть до переходу АГ в один із стійких станів. Процеси, які відбуваються в точці 2 (рис.1.9,а), аналогічні процесам в точці 1 рис.1.9,а. В точці 2 генератор стійкий і амплітуда напруги визначав амплітуду сталих коливань на базі транзистора. Таким чином, якщо АГ мав коливальну характеристику, яка зображена на рис.1.3.10,а, то в ньому встановиться режим генерування коливань у випадку, коли амплітуда напруги на базі транзистора перевищує напругу . Такий режим, при якому для самозбудження автогенератора необхідна початкова велика амплітуда напруги на базі транзистора (називається жорстким режимом. Характерним для ЖР є те, що збудження АГ відбувається при значному коефіцієнті зворотного зв'язку К_ЗБ (рис.1.9,б). Однак, якщо потім зменшувати коефіцієнт 33, коливання продовжують існувати, і зрив коливань відбувається при коефіцієнті К_зр, при якому пряма 33 стає дотичною до коливальної характеристики. Аналіз графіка (рис.1.9, б) показує, що з ЖР збудження, виникнення і зрив коливань відбувається при неоднакових значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку в автогенераторі. Недоліком ЖР є те, що для самозбудження АГ необхідне значна амплітуда напруги збудження. Перевагою такого режиму є можливість отримання великого ККД, так як генератор працює у режимі з відсічкою колекторного струму.

Порівняльний аналіз м'якого і жорсткого режимів показує, що з точки зору зручності експлуатації АГ доцільно застосовувати м'який режим самозбудження, однак це енергетично невигідно. Цей недолік можна усунути, якщо в АГ зовнішнє зміщення замінити автоматичним.

В цьому випадку режим самозбудження зберігається м'яким, а в сталому режимі генератор працює при малому куті відсічки, що забезпечує високий ККД і менші теплові втрати, що впливає на стабільність частоти коливань автогенератора.



1.4 Принципові схеми транзисторних автогенераторів

Автогенератори з одним зовнішнім коливальним контуром часто застосовуються на практиці. Важливою перевагою одноконтурних АГ є те, що частота генерації щ_Г - єдина, близька до частоти контура. Виключені перескоки частоти, які мають місце в багатоконтурних схемах.

Схеми одноконтурних АГ на біполярних і польових транзисторах виконуються у вигляді ємнісних або індуктивних триточок. Принципи складання схем і розрахунок блокуючих елементів такі ж, як і в підсилювачах потужності. В АГ можна заземлити будь-яку точку схеми, не змінюючи її електричний режим. Тому вибір заземленої точки звичайно зв'язують з вимогою поліпшення стабільності частоти. Для цього намагаються уникнути схем паралельного живленню, щоб дроселі не впливали на елементи контура і не погіршували стабільності частоти.

В схемі на рис.1.10 розподілювач R₁R₂ створює початкову напругу зміщення Е_ПОЧ на затворі. Опори Х_ке > 0і Х_БЕ> 0 створюються частинами індуктивності контура L₁, L₂, а її залишена частина L₃ разом з ємністю С₃, має опір ємнісного характеру Х_КБ < 0.

В схемі на рис.1.11 початкове зміщення Е_ПОЧ також знімається з розподілювача R₁R₂. На резисторах R_Б, R_е створюється падіння напруги від струмів бази та емітера. Така схема подання напруги зміщення називається комбінованою, її корисно застосовувати для стабілізації режиму при змінах температури.

Рисунок 1.9. Схема АГ, що розподілювача пояснює принцип роботи кола автозміщення

Початкове зміщення необхідне для того, щоб вивести робочу точку на характеристиках транзисторів в область великої крутизни вихідного струму, інакше самозбудження не відбудеться. У триточкових схемах АГ контур слід включати у вихідне коло транзистора не повністю, щоб при звичайних значеннях характеристичного опору контура с = 200...500 Ом і добротності Q = 50...100 можна було отримати режим транзистора, близький до критичного. Для ламп R_{н кр} = 10³ Ом, для біполярних транзисторів R_{н кр} = 10² Ом, отже, в цих випадках коефіцієнт включення с не повинен перевищувати 0,5 і 0,1 відповідно.

Знайдемо К, R_н, R_у і щ_г для схем на рис.1.10 і 1.11. В обох схемах

- характеристичний опір контура; щ_Г=щ₀= - резонансна частота контура; Q = с/r- добротність контура; - повні індуктивність і ємність контура; r- опір втрат контура. Для індуктивної триточки:

. (1.34)

Для ємнісної триточки:

. (1.35)

В загальному випадку у повних значеннях індуктивностей, ємностей і опорів втрат необхідно враховувати складові, які перераховуються із провідностей активного чотириполюсника.

Крім розглянутих схем зустрічаються і інші варіанти схем автогенераторів, наприклад, схема з трансформаторним зворотним зв'язком (рис. 1.12).



Рисунок.1.12. АГ з трансформаторним зворотним зв'язком

Рисунок.1.13 Графіки що пояснюють принцип роботи кола автозміщення

Проаналізуємо роботу кола автозміщення у схемі АГ з трансформаторним 33 (рис.1.12). При відсутності коливань у схемі через розподілювач R₁R₂ протікає струм І_розп. по колу: плюс джерела живлення U_ОК, опір R₁, потім R₂, мінус джерела U_ОК. Цей струм утворює на опорі R₁ падіння напруги U_R4, яка прикладається до ділянки база-емітер в якості напруги зміщення.

В момент виникнення коливань кут відсічки колекторного струму більше 90° і відбувається м'яке самозбудження АГ (рис.1.13). Струм бази І_ОБ протікає по колу: база транзистора, індуктивність зворотного зв'язку L_Б, опір R₃, опір R₄, емітер транзистора. Струм І_ОБ створює на опорі R₃, падіння напруги U_ОБ. З зростанням амплітуди коливань зростає напруга зміщення U_ОБ на базі транзистора, що приводить до зменшення кута відсічки. Підбором величини опору R₃ можна добитися такого положення, щоб у сталому режимі кут відсічки був менше 90°.

В автоколивальному режимі в схемі протікають змінні складові базового і колекторного струмів. Змінна складова колекторного струму протікає по колу: колектор, контур L_КС_К, блокуючий конденсатор С_{БЛ 2}, емітер. Змінна складова струму бази протікає по колу: база транзистора, індуктивність L_Б, блокуючий конденсатор С_{БЛ 4}, емітер транзистора.

Недоліком розглянутої схеми є відсутність кола термостабілізації струму емітера. Для усунення цього недоліку опір R₃ і конденсатор С_БЛ.1 включаються з колом постійної складової струму емітера (рис.1.14). При цьому нарівні з забезпеченням автоматичного зміщення опір дозволяє забезпечити температурну стабілізацію режиму транзистора. Як відомо, при змінні температури змінюється струм емітера, а напруга автоматичного зміщення, яка існує на опорі R₃, перешкоджає цим змінам.

Рисунок.1.14. Схема автогенератора з колом термостабілізації

В розглянутих схемах (рис.1.12,1.14)коефіцієнт зворотного зв'язку визначається виразом:

. (1.36)

Регулювання зворотного зв'язку в цих схемах здійснюється зміною коефіцієнта взаємоіндукції М між базовим колом і коливальним контуром. Для виконання умови балансу фаз необхідно певним чином підключити кінці котушки зворотного зв'язку. Нагадаємо, що переключення цих кінців змінює фазу напруги збудження на 180°.

В схемах з трансформаторним (рис.1.12) і автотрансформаторним (рис.1.11) зворотним зв'язком здійснюється неповне включення контура L_КС_К. Таке підключення дозволяє зменшувати шунтуючу дію на контур з боку вихідної провідності транзистора і провідності навантаження, а також узгоджувати ці провідності для отримання максимальної вихідної потужності автогенератора. При неповному включенні контура його еквівалентний опір можна регулювати зміною коефіцієнта включення.

В цих схемах частота коливань змінюється за допомогою змінного конденсатора С_к. Перевагою цих схем є незалежність регулювання частоти і коефіцієнта зворотного зв'язку.

Схеми з ємнісним зворотним зв'язком виконуються з паралельним живленням кіл колектора і бази (рис.1.10). Перевагою схеми в порівнянні з попередньою є більш проста реалізація контура АГ, а недоліками - зниження частоти коливань, яке обумовлено наявністю міжвиткових ємностей дроселя L_{БЛ 4}, а також вплив регулювання частоти коливань на коефіцієнт зворотного зв'язку.

Для отримання в транзисторних АГ, зібраних за різними схемами, максимальної вихідної потужності необхідно забезпечити оптимальні значення коефіцієнта К і еквівалентного опору R_е, які при настройці генераторів підбираються методом послідовних наближань. В зв'язку з цим порядок настройки АГ зводиться до наступного:

1. Зміною величини коефіцієнта 33 збуджуються коливання в генераторах.

2. За допомогою змінного конденсатора С_к контур настроюється на задану частоту.

3. Підбором величини еквівалентного опору R_е добиваються максимальної потужності коливань.

4. Зміною величини К уточнюють значення вихідної потужності.

5. Уточнюють частоту генерованих коливань.



2. Розрахунок автогенератора

Початкові дані:

Р_вих = 230 мВт;

f_роб = 5 МГц.

2.1 Вибір схеми автогенератора

Рис. 2.1. Схема електрична принципова збудника (АГ) радіопередавального пристрою з автотрансформаторним зворотнім зв'язком

Дана схема складається з:

С_бл1, С_бл2 - блокуючі конденсатори, які не допускають проходження змінних струмів через джерело живлення;;

С_к, L_к - паралельний коливальний контур;

С_р- розділючий конденсатор;

L_зв -котушка індуктивності призначена для забезпечення зворотнього зв'язку;

R₁, R₂- дільник напруги, задає відповідний кут відсічки колекторного струму;

VT1 - призначений для керування енергії коливального контуру за рахунок енергії джерела живлення;

R₃- обмежує напругу на базі.

2.2 Вибір активного елемента

При заданому значенні Р_вих =0,25 Вт потужність Р, яку повинен віддати транзистор в контур складає .

ККД контуру з_к на елементах з зосередженими параметрами відносно невеликий і знаходиться в межах 0,1-0,3. Нехай з_к =0,2, тоді одержимо .

При виборі транзистора необхідно виходити із наступних умов:

Р?Р_{к мак доп} і f_г?f_б

де Р_{к мак доп} - допустима потужність розсіювання на колекторі транзистора.

f_б - максимальна частота підсилення за струмом.

Для розрахунку АГ вибирано КТ 814 з параметрами:

Р_{к мак доп}=1Вт; f_б=20МГц; U_{к мак} =25В; І_{к доп}=1А; С_б-к=200пФ; S₀=4,5А/В; S_с=350мА/В; в=20.

Виберемо напругу джерела колекторного живлення U_0к=20В.



3. Розрахунок енергетичного режиму роботи автогенератора

Вибираємо критичний режим роботи в класі «В» з кутом відсічки , зазвичай вибирають 90 градусів.

Відповідні значення коефіцієнтів розкладу колекторного струму: (б₁=0,5;б₀=0,318)

Середній час руху носіїв струму між переходами ф_n:

Кут пробігу носіїв струму:

Кут відсічки струму емітера

За графіками Берга визначимо б_1е=0,455, б_0е=0,269.

Рисунок 3.1. Графіки коефіцієнта Берга



Коефіцієнт використання напруги колектору:

Амплітуда першої гармоніки колекторного кола:

Амплітуда першої гармоніки колекторного кола:

Постійна складова колекторного струму:

Максимальне значення імпульсу струму колектора:

Потужність, яка підводиться до колектору:

Потужність втрат:



ККД колекторного кола:

Еквівалентний опір контуру:

Коефіцієнт підсилення за струмом на частоті f_p:

Амплітуду першої гармоніки струму емітера:

Амплітуду імпульсу струму емітера:

Амплітуду напруги збудження на базі транзистора:



Напругу зміщення на базі:

- напруга зрізу бази транзистора.

Коефіцієнт зворотного зв'язку:

Величину опору R_Б кола авто зміщення:

де - постійна складова струму бази

Ємність роздільного конденсатора:

Блокуючі конденсатори



де - довжина хвилі



4. Розрахунок коливального контуру

Виберемо добротність контуру Q = 120;

4.1 Загальна ємність контуру

(4.1)

4.2 Індуктивність контуру

4.3 Хвильовий опір контуру

4.4 Опір втрат контуру

4.5 Опір, який вноситься в контур



4.6 Опір контуру

2.95 + 8.6 = 11.5 Ом (4.6)

4.7 Амплітуду коливального струму в навантаженому контурі

4.8 Величину індуктивності зв'язку контуру з колектором

4.9 Величину індуктивності зв'язку контуру з базою транзистора



Висновок

В результаті виконання курсової роботи в першому розділі було розглянуто такі питання, як загальна характеристика, методи аналізу транзисторного автогенератора без кварцової стабілізації частоти, принцип роботи, режими самозбудження та принципові схеми автогенератора.

В другому розділі, згідно методичних рекомендацій щодо виконання курсової роботи, було розраховано параметри транзисторного автогенератора. З довідника було обрано модель транзистора КТ 814, на основі якого було складено автогенератор включений за схемою із спільним емітером.

Знаючи параметри автогенератора було розраховано енергетичний режим роботи автогенератора та параметри контуру.



Література

1. Методичні вказівки до дипломного проектування для студентів денної та заочної форми навчання за напрямом «Радіотехніка» / підг. В. Г. Парфенюк. - Житомир: ЖВІ НАУ, 2012. - 112 с.

2. Хливнюк М.Г. та ін. Основи теорії кіл та сигналів. Методичні рекомендації до курсового проектування. - Житомир: ЖВІРЕ, 2005. - 52 с.

3. Методичні вказівки до оформлення курсових проектів (робіт) у Вінницькому національному технічному університеті / Уклад.

4. Г. Лисенко, А.Г. Буда, Р.Р. Обертюх. ? Вінниця: ВНТУ, 2006. ? 60 с.

5. Абрамов Л.А., Гомозов В.И., Екимов В.Ф. Радиопередающие устройства радиотехнических систем ПВО / Под ред. Ергана А.И. Харьков: ВИРТА, 1975. 420.

6. Пащенко Е.І. Пристрої генерування та формування сигналів. Частина 1. Житомир, 1999. 142 с.

7. Пащенко Е.І. Пристрої генерування та формування сигналів. Частина ІІ. Стабілізація параметрів радіочастотних коливань ? Житомир.: ЖВІРЕ, 2002, ? 104 с.

8. Проэктирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб. пособие для вузов /Уткин Г.М., Благовещенский М.В., Жуховицкая В.П. и др; Под ред. Г.М. Уткина. - М.: Сов. радио, 1979.? 320 с, ил.

9. ДСТУ 3008-95. Документація, звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення. - К.: Держстандарт України, 1995.- 32 с.

10. Єдина система конструкторської документації. Основні положення. Довідник / За. заг. ред. В.Л. Іванова. - Львів: НТЦ «Леонормстандарт», 2001. ? 223 с.

Размещено на Allbest.ru

...