Автоколебания генератор на транзисторі план. Затухаючі електричні коливання. Автоколебания. Генератор незатухаючих коливань (на транзисторі). Генератори на польових транзисторах

Вільні електромагнітні коливання в реальному коливальному контурі завжди затухаючі. Для того щоб вони були незатухающими, потрібно створити пристрій, за допомогою якого компенсувалися б втрати енергії при кожному повному коливанні в контурі. Широко застосовуються так звані автоколебания - незгасаючі коливання, підтримувані в системі за рахунок постійного зовнішнього джерела енергії, причому сама система управляє ним, забезпечуючи узгодженість надходження енергії певними порціями в потрібний момент часу.

Будь-яка автоколивальна система складається з наступних чотирьох частин (рис. 1): 1) коливальна система; 2) джерело енергії, за рахунок якого компенсуються втрати; 3) клапан - певний елемент, який регулює надходження енергії в коливальну систему певними порціями в потрібний момент; 4) зворотний зв'язок - керування роботою клапана за рахунок процесів в самій коливальній системі.

Генератор на транзисторі - приклад автоколебательной системи. На малюнку 2 наведена спрощена схема такого генератора, в якому роль "клапана" грає транзистор. Коливальний контур підключений до джерела струму послідовно з транзистором. Емітерний перехід транзистора через котушку L св индуктивно пов'язаний з коливальним контуром. Цю котушку називають котушкою зворотного зв'язку.

При замиканні ланцюга через транзистор проходить імпульс струму, який заряджає конденсатор С коливального контуру, в результаті чого в контурі виникають вільні електромагнітні коливання малої амплітуди. Струм, що протікає по контурній котушці L, Індукує на кінцях котушки зворотного зв'язку змінну напругу. Під дією цієї напруги електричне поле емітерного переходу періодично то посилюється, то послаблюється, а транзистор то відкривається, то закривається. У ті проміжки часу, коли транзистор відкритий, через нього проходять імпульси струму. якщо котушка L св підключена правильно (позитивний зворотний зв'язок), то частота імпульсів струму збігається з частотою коливань, що виникли в контурі, і імпульси струму приходять в контур в ті моменти, коли конденсатор заряджається (коли верхня пластина конденсатора заряджена позитивно). Тому імпульси струму, що проходять через транзистор, заряджають конденсатор і поповнюють енергію контуру, і коливання в контурі загасають.

Якщо при позитивного зворотного зв'язку повільно збільшувати відстань між котушками L св і L, То за допомогою осцилографа можна виявити, що амплітуда автоколивань зменшується, і автоколивання можуть припинитися. Це означає, що при слабкій зворотного зв'язку енергія, яка надходить в контур, менше енергії, необоротно перетворюється у внутрішню. Таким чином, зворотний зв'язок повинен бути такий, щоб: 1) напруга на емітерний перехід змінювалося синфазно з напругою на конденсаторі контура - це фазовий умова самозбудження генератора; 2) зворотний зв'язок забезпечувала б надходження в контур стільки енергії, скільки її необхідно для компенсації втрат енергії в контурі - це амплітудне умова самозбудження.

Частота автоколивань дорівнює частоті вільних коливань в контурі і залежить від його параметрів.

зменшуючи L і З, Можна отримати високочастотні незгасаючі коливання, які використовуються в радіотехніці.

Амплітуда сталих автоколивань, як показує досвід, не залежить від початкових умов і визначається параметрами автоколебательной системи - напругою джерела, відстанню між L св і L, Опором контуру.

література

Аксеновіч Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Учеб. посібник для установ, що забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксеновіч, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; Під ред. К. С. Фаріно. - Мн .: Адукация i вихаванне, 2004. - C. 394-395.

слайд 2

Автоколебания - незгасаючі коливання в дисипативної динамічної системі з нелінійним зворотним зв'язком, які підтримуються за рахунок енергії постійного, тобто непериодического зовнішнього впливу. Автоколебания відрізняються від вимушених коливань тим, що останні викликані періодичним зовнішнім впливом і відбуваються з частотою цього впливу, в той час як виникнення автоколивань і їх частота визначаються внутрішніми властивостями самої автоколебательной системи. Термін автоколебания в російськомовну термінологію введений А. А. Андроновим в 1928 році.

слайд 3

Прикладами автоколебаний можуть служити: незгасаючі коливання маятника годин за рахунок постійної дії тяжкості заводний гирі; коливання скрипкової струни під впливом рівномірно рухається смичка; виникнення змінного струму в ланцюгах мультивибратора і в інших електронних генераторах при постійній напрузі харчування; коливання повітряного стовпа в трубі органу, при рівномірній подачі повітря в неї; обертальні коливання латунної годинний шестерінки зі сталевою віссю, підвішеною до магніту і закрученою (досвід Гамазкова)

слайд 4

Умови збудження автоколивань

а) енергія від джерела повинна надходити в такт з коливаннями в контурі; б) що надходить від джерела енергія повинна бути дорівнює її втрат в контурі.

слайд 5

Годинники як автоколивальна система.

слайд 6

Генератор високочастотних електромагнітних коливань

е До Б З L Lсв

слайд 7

Аналогія між механічними і електромагнітними автоколиваннями

слайд 8

1.Якщо конденсатор коливального контуру зарядити, то в контурі виникнуть затухаючі коливання. 2.Чтоби коливання не згасали, потрібно компенсувати втрати енергії на кожен період коливань. 3.Пополнять енергію можна, заряджаючи конденсатор. 4. Для цього треба періодично підключати контур до джерела постійної напруги. 5.Конденсатор повинен підключатися до джерела тільки в ті інтервали часу, коли приєднана до «+» полюсу джерела пластина заряджена «+», а приєднана до «-» полюсу - «-». 6. У контурі незгасаючі коливання встановляться лише за умови, що джерело буде підключатися до контуру в ті інтервали часу, коли можлива передача енергії. 7. Для цього необхідно забезпечити автоматичну роботу ключа або транзистора.

слайд 9

Як створити незгасаючі коливання в контурі:

слайд 10

схема транзистора

слайд 11

Робота генератора на транзисторі

1.Чтоби в ланцюзі виникав струм і заряджати конденсатор контуру в ході коливань, потрібно повідомляти базі «-» щодо емітера потенціал, причому в ті інтервали часу, коли верхня пластина конденсатора заряджена «+», а нижня - «-». Це відповідає замкнутому ключу. 2. Для компенсації втрат енергії коливань в контурі напруга на емітерний перехід має періодично міняти знак в суворій відповідності з коливаннями напруги в контурі. 3. Необхідна зворотний зв'язок.

Робота генератора на транзисторі. 1.Чтоби в ланцюзі виникав струм і заряджати конденсатор контуру в ході коливань, потрібно повідомляти базі «-» щодо емітера потенціал, причому в ті інтервали часу, коли верхня пластина конденсатора заряджена «+», а нижня - «-». Це відповідає замкнутому ключу. 2. Для компенсації втрат енергії коливань в контурі напруга на емітерний перехід має періодично міняти знак в суворій відповідності з коливаннями напруги в контурі. 3. Необхідна зворотний зв'язок.

Слайд 11 з презентації «Автоколебания» до уроків фізики на тему «Види коливань»

Розміри: 960 х 720 пікселів, формат: jpg. Щоб безкоштовно завантажити слайд для використання на уроці фізики, Клацніть на зображенні правою кнопкою мишки і натисніть «Зберегти зображення як ...». Завантажити всю презентацію «Автоколебанія.pptx» можна в zip-архіві розміром 136 КБ.

завантажити презентацію

види коливань

«Рівняння коливання» - Отже рух носить апериодический (неперіодичний) характер - виведена з поло- ження рівноваги система повертається в стан рівноваги, не здійснюючи коливань. перестає бути періодичним. Тема: Рівняння коливання. Вільні затухаючі коливання в електричному коливальному контурі; 26.27.

«Автоколебания» - Генератор високочастотних електромагнітних коливань. Термін автоколебания в російськомовну термінологію введений А. Годинники як автоколивальна система. Автоколебания - незгасаючі коливання в дисипативної динамічної системі з нелінійним зворотним зв'язком, які підтримуються за рахунок енергії постійного, тобто непериодического зовнішнього впливу.

«Фізика« Гармонійні коливання »» - Коефіцієнт загасання. Рух від деякої початкової точки до повернення в ту ж точку. Затухаючі коливання являють собою неперіодичні коливання. Заряд на обкладанні конденсатора. Максимальні значення. Загасання прийнято характеризувати логарифмическим декрементом. Інший тип резонансу. Рівняння згасаючих коливань в контурі.

«Гармонійні коливання і маятники» - Вільні коливання. Маятник. Процеси. Розділимо рівняння. Періодичне коливальний рух. Поняття обертового вектора. Енергія гармонійного коливального руху. Маятники. Печінка. Коливальна система. Матеріальна точка. Гармонійне коливання з початковою фазою. Прискорення при гармонійних коливаннях.

«Гармонійні коливання» - обертається вектор амплітуди повністю характеризує гармонійнеколивання. 3. Різниця фаз змінюється в часі довільним чином. Амплітуда А результуючого коливання залежить від різниці початкових фаз. За правилом додавання векторів знайдемо сумарну амплітуду, результуючого коливання: Такі коливання називаються лінійно поляризованими.

Напередодні першої світової війни Росія в науковому відношенні значно відставала від передових капіталістичних країн. Зокрема, в Росії не було радіотехнічної промисловості. Все обладнання для радіозв'язку доводилося ввозити з-за кордону, а після революції це джерело був практично закритий. У цих умовах радянські вчені Крилов, Мандельштам, Папалексі, Андронов провели настільки глибокі дослідження з проблем вимушених коливань, що набагато випередили своїх західних колег, так що світовий науковий центр з цих проблем перемістився в СРСР.

При вільних коливаннях енергія системи зменшується. У зв'язку з цим стали широко застосовуватисяавтоколебания - незгасаючі коливання, підтримувані в системі за рахунокпостійного зовнішнього джерела енергії, причому сама система управляє ним, забезпечуючи узгодженість надходження енергії певними порціями в потрібний момент часу. Частота і амплітуда автоколивань визначаються властивостями самої системи і не залежать від зовнішнього впливу. Наприклад, під сталевий гирею, що висить на пружині, розташовується електромагніт. Якщо будуть поперемінно включати і вимикати струм, то гиря почне здійснювати вимушені коливання. Спробуйте-но пояснити, що буде відбуватися далі? ..

А тепер постарайтеся навести приклади автоколебаний ...

незгасаючі коливання маятника годин за рахунок постійної дії тяжкості заводний гирі;
коливання скрипкової струни під впливом рівномірно рухається смичка;
коливання повітряного стовпа в трубі органу, при рівномірній подачі повітря в неї;
обертальні коливання латунної годинний шестерінки зі сталевою віссю, підвішеною до магніту і закрученої
освіту турбулентних потоків на перекатах і порогах річок;
голосу людей, тварин і птахів утворюються завдяки автоколебаниям, що виникають при проходженні повітря через голосові зв'язки.

Найбільш поширеною механічної автоколебательной системою є маятниковий годинник. У 1657 році голландський фізик Християн Гюйгенс запропонував використовувати синхронізм коливань маятника для створення рівномірного руху стрілки на годиннику. Пристрій, запропоноване Гюйгенсом, в його головних рисах зберігся до теперішнього часу: маятник, піднятий вантаж, анкер і ходове колесо. Зверніть увагу, що, в основному, маятник рухається вільно, отримуючи за період два поштовхи. Коливання виникають і підтримуються самої коливальної системою, тобто є автоколиваннями. Для багатьох автоколивальних систем характерні основні елементи: власне коливальна система, джерело енергії, «клапан» (регулює надходження енергії в коливальну систему).

Використовуючи метод аналогій, перейдемо від механічної автоколебательной системи до електромагнітної автоколебательной системі, яка генерує електромагнітні коливання. Що можна використовувати в якості джерела енергії (джерело струму), клапана (транзистор), коливальні системи в електричного кола (Автогенератор)? .. Як можна здійснити зворотній зв'язок між клапаном і коливальної системою? .. (робота з підручником)

Принцип роботи генератора на транзисторі(флеш-малюнок «Генератор на транзисторі»)

У момент підключення джерела постійного струму через колекторний ланцюг транзистора проходить струм, що заряджає конденсатор коливального контуру. У контурі виникнуть вільні електромагнітні коливання. Так як котушка коливального контуру індуктивно пов'язана з котушкою зворотного зв'язку, то її змінюється магнітне поле викличе в котушці зворотного зв'язку змінну ЕРС такої ж частоти, як і коливання в контурі. Ця ЕРС, будучи прикладена до ділянки база - емітер, викличе пульсацію струму в ланцюзі колектора. Так як частота цих пульсацій дорівнює частоті електромагнітних коливань в контурі, то вони заряджають конденсатор контуру і тим самим підтримують постійної амплітуду коливань в контурі.

Спостереження зміни форми осцилограми від частоти і амплітуди коливань

Пропоную вам зробити невелике дослідження електромагнітних коливань звукової частоти. Що нам для цього знадобитися? .. Звуковий генератор і осцилограф! Але не прості, а ... віртуальні! Тому потрібна ще пара комп'ютерів для ваших міні-лабораторій.

Ділимося на 2 групи для вивчення залежності форми коливань від їх 1) частоти і 2) амплітуди.

А так як ми будемо працювати зі звуковим генератором, то нагадайте мені, будь ласка, діапазон чутних звукових частот? .. (флеш-малюнок «Діапазони звукових частот»)

1 група буде працювати в акустичному (чутному) діапазоні звукових частот.

Для 2 групи обмежень в діапазоні амплітуд немає.

За роботу!..

Результати спостережень залежності форми коливань від їх частоти:

Хлопці, подивіться, яка у нас вийшла незвичайна картинна галерея! Тепер звуком можуть насолоджуватися не тільки наші органи слуху, але і зору! І не будуть здаватися дивними такі слова: «Ти ще не бачив нову мелодію? Дивись, яка гарна! »

Ми в нашому міні-дослідженні застосували звуковий генератор. Що нам відомо про нього? .. Які ще бувають генератори? ..

« Фізика - 11 клас »

Вимушені коливання виникають під дією змінної напруги, що виробляється генераторами на електростанціях.
Такі генератори не можуть створювати коливання високої частоти, необхідні для радіозв'язку? тому для цього потрібна була б дуже велика швидкість обертання ротора.
Коливання високої частоти отримують, наприклад, за допомогою генератора на транзисторі.

автоколивальні системи

Зазвичай незгасаючі вимушені коливання підтримуються в ланцюзі дією зовнішнього періодичного напруги.
Але можливі й інші способи отримання незатухаючих коливань.

Наприклад, є система, в якій можуть існувати вільні електромагнітні коливання, з джерелом енергії.
Якщо сама система буде регулювати надходження енергії в коливальний контур для компенсації втрат енергії на резисторі, то в ній можуть виникнути незгасаючі коливання.

Системи, в яких генеруються незгасаючі коливання за рахунок надходження енергії від джерела всередині самої системи, називаються автоколивальними. Незгасаючі коливання, що існують в системі без впливу на неї зовнішніх періодичних сил, називаються автоколиваннями.

Генератор на транзисторі - приклад автоколебательной системи.
Він складається з коливального контуру з конденсатором ємністю С і котушкою індуктивністю L, джерела енергії і транзистора.

Як створити незгасаючі коливання в контурі?

Щоб електромагнітні коливання в контурі загасають, потрібно компенсувати втрати енергії за кожен період.

Поповнювати енергію в контурі можна, заряджаючи конденсатор.
Для цього треба періодично підключати контур до джерела постійної напруги.

Конденсатор повинен підключатися до джерела тільки в ті інтервали часу, коли приєднана до позитивного полюса джерела пластина заряджена позитивно, а приєднана до негативного полюса - негативно.
Тільки в цьому випадку джерело буде заряджати конденсатор, поповнюючи його енергію.

Якщо ж ключ замкнути в момент, коли приєднана до позитивного полюса джерела пластина має негативний заряд, а приєднана до негативного полюса - позитивний, то конденсатор буде розряджатися через джерело. Енергія конденсатора при цьому буде спадати.

Джерело постійної напруги постійно підключений до конденсатора контуру, не може підтримувати в ньому незгасаючі коливання, так само як постійна сила не може підтримувати механічні коливання.
Протягом половини періоду енергія надходить в контур, а протягом наступної половини періоду повертається в джерело.

У контурі незгасаючі коливання встановляться лише за умови, що джерело буде підключатися до контуру в ті інтервали часу, коли можлива передача енергії конденсатору.
Для цього необхідно забезпечити автоматичну роботу ключа.
При високій частоті коливань ключ повинен володіти надійним швидкодією. В якості такого практично безінерційного ключа і використовується транзистор.

Транзистор складається з емітера, бази і колектора.
Емітер і колектор мають однакові основні носії заряду, наприклад дірки (напівпровідник p-типу).
База має основні носії протилежного знаку, наприклад електрони (напівпровідник n-типу).

Робота генератора на транзисторі

Коливальний контур з'єднаний послідовно з джерелом напруги і транзистором так, що на емітер подається позитивний потенціал, а на колектор - негативний.
При цьому перехід емітер - база (емітерний перехід) є прямим, а перехід база - колектор (колекторний перехід) виявляється зворотним, і струм в ланцюзі не йде.
Це відповідає розімкненим ключу.

Щоб в ланцюзі контуру виникав струм і заряджати конденсатор контуру в ході коливань, потрібно повідомляти базі негативний щодо емітера потенціал, причому в ті інтервали часу, коли верхня пластина конденсатора заряджена позитивно, а нижня - негативно.
Це відповідає замкнутому ключу.

В інтервали часу, коли верхня пластина конденсатора заряджена негативно, а нижня - позитивно, струм в ланцюзі контуру повинен бути відсутнім. Для цього база повинна мати позитивний потенціал щодо емітера.

Таким чином, для компенсації втрат енергії коливань в контурі напруга на емітерний перехід має періодично міняти знак в суворій відповідності з коливаннями напруги на контурі.
необхідна зворотній зв'язок.

Тут зворотний зв'язок - індуктивна
До емітерного переходу підключена котушка індуктивністю L CB, індуктивно пов'язана з котушкою індуктивністю L контуру.
Коливання в контурі внаслідок електромагнітної індукції збуджують коливання напруги на кінцях котушки, а тим самим і на емітерний перехід.
Якщо фаза коливань напруги на емітерний перехід підібрана правильно, то «поштовхи» струму в ланцюзі контуру діють на контур в потрібні інтервали часу, і коливання не загасають.
Навпаки, амплітуда коливань в контурі зростає до тих пір, поки втрати енергії в контурі не стануть точно компенсуватися надходженням енергії від джерела.
Ця амплітуда тим більше, чим більше напруга джерела.
Збільшення напруги призводить до посилення «поштовхів» струму, підзаряджатися конденсатор.

Генератори на транзисторах широко застосовуються не тільки в багатьох радіотехнічних пристроях: радіоприймачах, що передають радіостанціях, підсилювачах, ЕОМ.

Основні елементи автоколебательной системи

На прикладі генератора на транзисторі можна виділити основні елементи, характерні для багатьох автоколивальних систем.

1. Джерело енергії, за рахунок якого підтримуються незгасаючі коливання (в генераторі на транзисторі це джерело постійної напруги).

2. Коливальна система - та частина автоколебательной системи, безпосередньо в якій відбуваються коливання (в генераторі на транзисторі це коливальний контур).

3. Пристрій, що регулює надходження енергії від джерела в коливальну систему - клапан (в розглянутому генераторі - транзистор).

4. Пристрій, що забезпечує зворотний зв'язок, за допомогою якої коливальна система управляє клапаном (в генераторі на транзисторі - індуктивний зв'язок котушки контуру з котушкою в ланцюзі емітер - база).

Приклади автоколивальних систем

Автоколебания в механічних системах: годинник з маятником або балансиром (коліщатком з пружинкою, яка вчиняє крутильні коливання). Джерелом енергії в годиннику є потенційна енергія піднятою гирі або стиснутої пружини.

До автоколивальних систем відносяться електричний дзвінок з переривачем, свисток, органні труби і багато іншого. Наше серце і легені також можна розглядати як автоколивальні системи.