Генератор электрических колебаний.
Генератор электрических колебаний - это устройство создающее электрические
колебания. Как и усилители, генераторы бывают самых разных
типов, позволяющие получать колебания в широком диапазоне частот, различной
формы и с разным уровнем сигнала. Генератором называют как часть электронной
схемы, ответственной за генерацию определенных колебаний, так и отдельное,
полностью законченное устройство, например лабораторный генератор сигналов.
Например, в Tinkercad генератор сигналов, как отдельное устройство выглядит так:
Генератор на одном транзисторе.
Прежде чем перейти к принципиальной схеме генератора, разберемся что необходимо
для возникновения и поддержания колебаний. Для понимания процессов рассмотрим
механическую аналогию - маятник, некоторый грузик, подвешенный на нити:
В исходном состоянии никаких колебаний нет, грузик спокойно висит на нити.
На него действует сила тяжести Fт, которая уравновешивается силой натяжения
нити Fн (позиция 1). Говорят, что в таком состоянии система находится в
равновесии, и если на нее никак не воздействовать, она так будет находится в
таком состоянии.
Но что если маятник отклонить в сторону (позиция 2) и отпустить? Появится
сила F, как результирующая сил тяжести и натяжения нити, и эта сила будет
стремиться вернуть маятник в исходное состояние, где он находится в равновесии.
Двигаясь в сторону равновесия, маятник наберет некоторую скорость и по инерции
проскочит положение равновесия. В какой-то момент он остановится и окажется в
позиции 3, откуда опять начнет двигаться, стремясь попасть в позицию 1, где он
находится в равновесии. Процесс этот будет повторяться, и если бы у нас не было
силы трения, эти колебания маятника возле положения в котором он находится
в равновесии были бы бесконечными. Но так как энергия маятника тратится на
трение о воздух и на изгибание нити, то рано или поздно она закончится, и
маятник окажется в положении равновесия (позиция 1) - положение, в котором
он может находиться сколь угодно долго, так как для того, чтобы он находился
в этом положении никаких затрат энергии не требуется. Колебания, которые
совершает маятник называются затухающими колебаниями. Чтобы колебания маятника
были незатухающими, необходимо периодически подталкивать маятник, сообщая ему
дополнительную энергию.
Те же самые процессы происходят когда вы качаетесь на качелях.
Если раскачать качели и затем сидеть на них неподвижно - они постепенно
остановятся. Можно сказать, что качели совершают затухающие колебания.
Чтобы колебания были незатухающими, когда вы неподвижно сидите на качелях -
нужен кто-то, кто будет периодически их подталкивать, в нужный момент. Но можно
и самому, совершая определенные движения, подталкивать качели добиваясь
незатухающих колебаний. Такие незатухающие колебания, происходящие без
периодического внешнего воздействия называются автоколебаниями.
С затухающими колебаниями мы уже сталкивались, когда рассматривали процессы,
происходят в колебательном контуре (см. Урок 15).
Если замкнуть выключатель S, то конденсатор С зарядится, а после того как
выключатель будет разомкнут, в колебательном контуре возникнут колебания.
Это будут затухающие колебания, амплитуда которых со временем будет уменьшаться,
так как энергия будет тратиться на внутреннем сопротивлении контура.
Рассмотрим еще раз, какие процессы происходят в колебательном контуре.
В момент времени t0, когда мы размыкаем цепь, конденсатор полностью
заряжен. В интервале от t0 до t1 конденсатор разряжается,
вся энергия накопленная конденсатором переходит в магнитное поле катушки.
В интервале времени от t1 до t2 магнитное поле катушки
создает в цепи ток и конденсатор опять заряжается, но уже в обратной полярности.
В момент времени t2 конденсатор максимально зарядится и в интервале
времени от t2 до t3 опять разряжается на катушку.
В интервале от t3 до t4 конденсатор снова заряжается, но
его заряд, из-за потерь в контуре, не сможет достичь предыдущего значения
Uc, и с каждым новым циклом заряд будет уменьшаться, колебания
будут затухать.
Как же сделать так, чтобы колебания были незатухающими?
Если бы в интервале от t3 до t4 замкнуть выключатель S,
тогда конденсатор зарядился бы от батареи B до прежнего своего значения:
Если бы каждый раз удавалось "подталкивать" конденсатор до уровня его
первоначального заряда, мы получили бы незатухающие колебания.
Хорошо бы сделать так, чтобы схема сама себя "подталкивала" в нужный момент.
Для этого заменим выключатель транзистором и введем в схему еще одну катушку,
разместив её рядом с основной катушкой так, чтобы её витки попадали в магнитное
поле основной катушки. Эта катушка называется катушкой связи Lсв,
так как именно она задает обратную связь.
Рассмотрим какие процессы происходят внутри данной схемы. В интервале времени
от t3 до t4, магнитное поле катушки L уменьшается, в
колебательном контуре возникает ток, и конденсатор начинает заряжаться. В это же
время, уменьшается магнитное поле и в катушке связи, так как она находится в
одном магнитном поле с основной катушкой, и в ней тоже возникает ток, но он
имеет другой направление, так как катушка связи "перевернута" относительно
основной катушки. Этот ток создает отрицательное напряжение на базе транзистора,
относительно эмиттера и транзистор открывается и в цепи появляется
дополнительный коллекторный ток, который дозаряжает конденсатор до его прежнего
значения. И наоборот, в интервале от t1 до t3 ток в
катушке связи имеет обратное направление, создавая положительное, относительно
эмиттера напряжение на базе транзистора, запирая транзистор.
На графике, напряжение создаваемое катушкой связи обозначено зеленым цветом,
а напряжение "подзарядки" - красным. Теперь колебания в контуре будут
автоматически поддерживаться. Эта схема называется транзисторный генератор
незатухающих колебаний, или проще - автогенератор.
Мультивибратор.
Возможна и другая схема генератора, без колебательной системы:
Эта схема называется симметричный мультивибратор. Разберемся, как он
работает.
В исходном состоянии, до подачи напряжения питания, оба транзистора закрыт,
конденсаторы разряжены. При подаче питания, благодаря напряжению смещения,
поступающего через резисторы R2 и R3, транзисторы VT1 и VT2 приоткрываются.
Поскольку коэффициенты передачи у транзисторов разные (хоть немного, но это
всегда так), один открывается сильнее. Предположим, это VT1. Конденсатор С1
через открытый транзистор подключается к общему проводу и начинает заряжаться.
При этом он шунтирует базу VT2, снимая с нее напряжение смещения с R2.
VT2 закрывается, а конденсатор С2 разряжается через цепочку R3, R4.
Через некоторое время С1 зарядится, и на базе VT2 появится напряжение смещения.
Он откроется и подключит С2 к минусу источника питания. С2 начнет заряжаться и
зашунтирует базу VT1, заставляя его закрыться.
При этом С1 начнет разряжаться через резисторы R1 и R2, подготавливаясь к
следующему циклу работы. По прошествии некоторого времени С2 зарядится,
появится смещение на VT1, последний откроется и процесс повторится.
Теперь давайте перерисуем эту схему чуть-чуть по-другому:
Да это же двухкаскадный усилитель! Действительно, это два инвертирующих
усилителя, или в таком случае говорят - два каскада усиления, каждый собран на
одном транзисторе по схеме с общим эмиттером включенных друг за другом.
Схема с общим эмиттером (ОЭ) - это когда входной сигнал подаётся на базу
относительно эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно
эмиттера.
И эта схема действительно могла бы работать как усилитель, если бы вход этого
усилителя не был соединен с выходом через конденсатор C1. Но так как сигнал с
выхода усилителя поступает на его вход, это называется обратная связь -
возникает возбуждение усилителя, и он превращается в генератор. Как это
происходит? Сигнал в выхода усилителя попадая через конденсатор на вход, еще
больше усиливается, пока не достигнет максимального значения. Такая обратная
связь называется положительной. И когда транзистор VT2 полностью закроется,
создав максимально напряжение на выходе усилителя, ток через конденсатор C1
прекратится, уменьшение сигнала на входе приведет к уменьшению сигнала на
выходе, пока транзистор VT1 совсем не закроется, а VT2 не откроется и далее
процесс повторится в обратном порядке.
Использую положительную обратную связь, можно любой усилитель превратить в
генератор. Собственно, любой генератор можно представить как усилитель с
положительной обратной связью.
От чего же зависит частота мультивибратора? Очевидно, что частота зависит
от емкости конденсаторов C1 и C2. Чем больше емкость - тем дольше они будут
заряжаться и разряжаться. Но она зависит и от сопротивления резисторов R2 и R3
чем больше сопротивление - тем меньше через них ток и тем дольше конденсаторы
будут заряжаться.
Симметричные мультивибраторы нашли широкое применение в радиолюбительской
практике, и позволяют получать сигналы с частотой от единиц герц, до
единиц мегагерц. Пример мультивибратора, переключающего два светодиода,
с подробной инструкцией для самостоятельного повторения, можно
посмотреть здесь:
Симметричный мультивибратор
Катушка Тесла.
Или правильнее, все-таки, трансформатор Тесла - устройство, изобретённое
Николой Теслой, являющееся резонансным трансформатором, производящим высокое
напряжение высокой частоты.
Первичная катушка этого трансформатора содержит всего два-три витка, а вот
вторичная, высоковольтная катушка, может содержать тысячи витков. Фактически
вторичная катушка - это открытый колебательный контур, частота которого зависит
от индуктивности катушки и емкости - в основном это собственная межвитковая
ёмкость самой катушки, часто для того чтобы увеличить емкость - сверху на
катушке размещается металлический шар или тор.
Особенность работы трансформатора Тесла в том, что в первичной обмотке создается
высокочастотный ток, частотой равной резонансной частоте вторичной катушки.
Так что в работе катушки Тесла нет ничего мистического, вы можете самостоятельно
собрать себе катушку Тесла из вполне доступных деталей, всего на одном
транзисторе: Катушка Тесла
Cкин-эффект.
И, наконец, почему высокочастотный ток, не смотря на то, что напряжение может
достигать тысячи вольт, может протекать через тело человека не только не
убивая, но и практически не причиняя вреда? Все дело в том, что амплитуда
электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды
уменьшается, это так называемый поверхностный эффект, или скин-эффект.
В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при
протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а
преимущественно в поверхностном слое. Говорят, ВЧ-ток течет по поверхности
проводника. И по нашему телу, хоть и плохому, но проводнику, ВЧ-ток тоже
течет по поверхности, при некоторых значениях он не может проникнуть даже в
кожу.
Но как бы там ни было, электрический ток - не игрушка, и ошибок не прощает,
поэтому необходимо быть предельно осторожным и внимательным при работе с
электрическим током.
Copyright © R9AL 2021 Все права защищены
