Амплитудные условия в автогенераторе

В выражении баланса амплитуд (5.3) от амплитуды колебаний практически зависит лишь величина средней крутизны, т.к. коэффициент обратной связи обычно определяется делителем напряжения в нагрузочной цепи, который в первом приближении не зависит от амплитуды колебаний. Не зависят от амплитуды колебаний и параметры контура (Rк). С учётом этих выводов, преобразуем (5.3) к следующему виду

(5.5)

Здесь левая часть выражения зависит от амплитуды колебаний, а правая, при заданных параметрах K и Rк,- фиксирована. Исследуем зависимость Sср от амплитудыколебаний для случаев θ<90⁰ , θ=90⁰ и θ>90⁰ .

Для этого построим соответствующие динамические характеристики активного элемента и рассмотрим зависимость коллекторного тока от амплитуды напряжения возбуждения. В первом случае напряжение смещения Еу<Ε^/у;соответствующие зависимостиколлекторного тока от амплитуды возбуждения представлены на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Коллекторный ток при θ<90⁰ .

Из рисунка в частности следует, что пока еу макс не превышает Ε^/у, коллекторного тока нет, а затем до критического режима импульс тока растёт пропорционально еу макс и одновременно расширяется (увеличивается угол отсечки). В перенапряженном режиме рост коллекторного тока практически прекращается, вследствие появления провала.

Для θ=90⁰ , Еу=Ε^/у и характер зависимости коллекторного тока от амплитуды возбуждения иллюстрируется рисунком 5.4. В этом случае, в области недонапряженного режима импульс тока растет пропорционально амплитуде возбуждения при неизменном угле отсечки. В перенапряженном режиме, как и при θ<90⁰ , максимальное значение тока остается неизменным.

Рисунок 5.4 - Коллекторный ток при θ=90⁰ .

Для θ>90⁰, Еу>Ε^/у. В этом случае появляется ток покоя и рост коллекторного тока сопровождается уменьшением угла отсечки (см. рисунок 5.5). При Uу< |Еу-Ε^/у| отсечка коллекторного тока исчезает (θ=180⁰)

 

Рисунок 5.5 - Коллекторный ток при θ>90⁰ .

 

Таким образом, на основании полученных результатов, можно построить зависимость тока первой гармоники (Iк1)и средней крутизны (Sср)от амплитуды возбуждения (см. рисунок 5.6). Здесь Sср=Sβ1= Iк1/ Uу

Рисунок 5.6 – Колебательные характеристики генератора.

Анализируя зависимости Sср=f(Uу), можно сделать вывод, что для θ>90⁰ и θ=90⁰ эти зависимости аналогичны по форме, тогда как при θ<90⁰ форма характеристики существенно отличается.

Исследуем зависимость амплитуды колебаний в автогенераторе от коэффициента обратной связи. Для этого воспользуемся записью баланса амплитуд в форме (5.5). Правая часть этого выражения, зависящая от К, на плоскости характеристики Sср=f(Uу) представляет собой прямую параллельную горизонтальной оси (прямая обратной связи). По мере увеличения коэффициента обратной связи прямая опускается и при появлении точки пересечения её с кривой зависимости Sср появляется возможность возникновения автоколебаний. Рассмотрим этот процесс сначала для θ>90⁰ и θ=90⁰. Согласно рисунку 5.7, при , условие (5.5) выполняется, однако при этом амплитуда колебаний равна 0. Дальнейшее увеличение К приводит к нарастанию амплитуды колебаний. Если затем уменьшать коэффициент обратной связи, амплитуда колебаний изменяется по той же траектории в сторону уменьшения.

 

Рисунок 5.7 – Мягкий режим самовозбуждения

Режим, в котором возможно возникновение колебаний с малых амплитуд, получил условное название «мягкий режим». Условием мягкого режима самовозбуждения является выбор угла отсечки θ>90⁰ или θ=90⁰ и величина KRк достаточная для выполнения условия (5.5) при Sср<Sмакс.

Рассмотрим теперь амплитудные условия в автогенераторе для θ<90⁰. В этом случае кривая Sср, показанная на рисунке 5.8 сплошной линией, соответствует идеализированным статическим характеристикам АЭ и реальным характеристикам при θ<<90⁰. При θ близких к 90⁰, за счёт нелинейного участка реальной статической характеристики зависимость Sср=f(Uу) соответствует пунктирной кривой на рисунке 5.8.

По мере увеличения KRк условие баланса амплитуд будет выполнено на уровне Sмакс. Однако колебания не могут возникнуть, т.к. при малых амплитудах условие баланса амплитуд не выполняется. Для запуска автогенератора на его вход необходимо подать внешнее запускающее напряжение с амплитудой U^//у. Аналогичная ситуация будет при всех .

Рисунок 5.8 – Жесткий режим самовозбуждения

Если окажется возможным увеличить коэффициент обратной связи до значения , колебания скачком возрастут до . При уменьшении коэффициента обратной связи ниже уровня 1/Sмин колебания не срываются, a плавно уменьшаются до значения U^//у; после этого баланс амплитуд нарушается и колебания скачком уменьшаются до нуля. Такой режим самовозбуждения генератора получил наименование «жесткий режим». Поскольку необходимая величина KRк на практике трудно достижима (или вообще не может быть осуществлена) жесткий режим не удобен в эксплуатации, хотя обладает важным преимуществом по сравнению с мягким. Преимущество заключается в малом угле отсечки и соответственно высоком электронном к.п.д.. Высокий к.п.д. в свою очередь определяет относительно малые тепловые потери в АЭ, большую стабильность его параметров, а, следовательно, и большую стабильность амплитуды и частоты генерируемых колебаний.

Рассмотренные недостатки мягкого и жесткого режимов на практике устраняют с помощью комбинированных цепей смещения на управляющий электрод. Поясним это на примере автогенератора с биполярным транзистором (Рисунок 5.9). Исходное фиксированное смещение на базе транзистора (Ебф)задается с помощью внешнего источника и резистивного делителя напряжении R1, R2. Чтобы Ебф мало зависело от тока базы необходимо выполнить условие iд=(2…3)iб. Величина Ебф выбирается так, чтобы при малых амплитудах колебаний угол отсечки соответствовал 180⁰, т.е. чтобы обеспечивался мягкий режим самовозбуждения. Для перевода генератора в жесткий режим (с углом отсечки менее 90⁰) используется автоматическое смещение (ΔЕб) за счет постоянной составляющей эмиттерного тока и резистора R3. По мере нарастания амплитуды колебаний увеличивается ток эмиттера, уменьшается напряжение смещения на базе Еб= Ебф- ΔЕб, уменьшается угол отсечки и генератор после установления амплитуды колебаний переходит в жесткий режим.

Конденсатор Сбл устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Величина его ёмкости не должна быть слишком большой, т.к. по мере нарастания амплитуды колебаний напряжение ΔЕб может настолько уменьшить угол отсечки и Sср, что в режиме близком к установившемуся баланс амплитуд выполняться не будет и колебания сорвутся. После этого конденсатор Сбл начнёт разряжаться через резистор R3 до тех пор, пока угол отсечки снова не превысит 90⁰, и не возникнут условия для мягкого самовозбуждения. Таким образом возникает процесс прерывистой генерации, частота которого зависит от постоянной времени цепи R3,Cбл. Для нормальной работы автогенератора этот процесс крайне не желателен, что и определяет ограничения на величину ёмкости Сбл.