§ 23. Автоколивання

Отримання незатухаючих коливань. У реальному контурі заряджений конденсатор спричинює виникнення лише затухаючих коливань. У кінці кожного періоду коливань заряд на пластинах конденсатора зменшується порівняно з початком періоду. Зрозуміло, заряд зберігається, але зменшується на однакову за модулем величину позитивний заряд на одній пластині й негативний — на іншій. Унаслідок чого енергія коливань зменшується, оскільки вона пропорційна квадрату заряду,

Щоб коливання не затухали, потрібно компенсувати втрати енергії за кожний період.

Поповнювати енергію в контурі можна, підзаряджаючи конденсатор. Для цього потрібно періодично вмикати контур у коло джерела постійної напруги. До того ж конденсатор має вмикатися в коло джерела лише в ті проміжки часу, коли приєднана до позитивного полюса джерела пластина заряджена позитивно, а та, що приєднана до негативного полюса, — негативно. Тільки за такої умови джерело підзаряджатиме конденсатор, поповнюючи його енергію. Тобто джерело постійної напруги, яке весь час під’єднане до конденсатора контура, не може підтримувати в ньому незатухаючих коливань. Адже половину періоду енергія надходитиме в контур, а в наступну половину періоду повертатиметься до джерела. Незатухаючі коливання встановляться в контурі лише за умови, що джерело вмикатиметься в контур у ті інтервали часу, коли це потрібно. Система, яка сама регулює надходження енергії в коливальний контур для компенсації її втрат, називається автоколивальною.

Автоколивальні системи. Генератор незатухаючих електромагнітних коливань. Вивчаючи в 10 класі механічні коливання, ми з’ясували, що до складу будь-якої автоколивальної системи (мал. 110), має входити: 1 — джерело енергії, 2 — передавальний пристрій (клапан), 3 — коливальна система.

Мал. 110. Схема автоколивальної системи

Розглянемо принцип дії генератора на транзисторі (пригадайте, що таке транзистор, §8). Його складові частини: коливальний контур — конденсатор ємністю С і котушка індуктивністю L, джерело енергії та транзистор (мал. 111).

Мал. 111. Схема генератора на транзисторі

Зі схеми видно, що коливальний контур з’єднаний послідовно з джерелом постійного струму і з транзистором так, що на емітер подається позитивний заряд, а на колектор — негативний. При цьому перехід між емітером і базою (емітерний перехід) прямий, а перехід між базою і колектором (колекторний перехід) виявляється оберненим, і струм по колу не проходить.

Щоб у колі контура виник струм і підзарядив конденсатор під час коливань, потрібно надати базі негативного відносно емітера потенціалу, і саме в ті інтервали часу, коли верхня пластина конденсатора заряджена позитивно, а нижня — негативно. В інтервал часу, коли верхня пластина конденсатора заряджена негативно, а нижня позитивно, струму в колі контура не повинно бути. У цей час база мусить мати позитивний потенціал відносно емітера. Отже, щоб компенсувати втрати енергії коливань у контурі, напруга на емітерному переході має періодично змінювати знак згідно з коливаннями напруги на контурі. Потрібний, як кажуть, зворотний зв’язок.

Зворотний зв’язок у розглядуваному генераторі — індуктивний. До емітерного переходу підведено котушку з індуктивністю L_зв, яка індуктивно зв’язана з котушкою контура, що має індуктивність L.

Коливання в контурі внаслідок електромагнітної індукції збуджують коливання напруги на кінцях першої котушки й тим само — на емітерному переході. Це спричинює те, що струм і, який проходить по контурній котушці, індукує на кінцях котушки зворотного зв’язку змінну напругу U_e (мал. 112, а). Під дією цієї напруги електричне поле емітерного переходу періодично то підсилюється, то послаблюється, а транзистор то відкривається, то запирається.

У ті проміжки часу, коли транзистор відкритий, через нього проходять імпульси струму, тривалість яких залежить від режиму роботи транзистора (мал. 112, б). Частота імпульсів струму, що проходить через транзистор, збігається з частотою коливань, які виникають в контурі, і надходять вони в контур у моменти, коли конденсатор контура заряджається. Тому імпульси струму, що проходять через транзистор, підзаряджають конденсатор і поповнюють енергію контура. На малюнку 112, в зафарбовано рожевим площі пропорційні енергії, яка надходить до контура за кожний період коливань. Енергія, яка надходить від джерела струму, компенсує втрати енергії в контурі, і коливання не затухають.

Мал. 112. Графіки незатухаючих коливань

Якщо в автогенераторі котушку зворотного зв’язку повернути на 180°, то з осцилограми буде видно, що генератор не працює. Адже поворот котушки зворотного зв’язку на 180° спричинює те, що фаза коливань змінної напруги U_е на емітерному переході змінилася на π (мал. 113, а). Отже, імпульси струму, що проходять через транзистор, припадають на від’ємні півперіоди коливань напруги U_к на контурі (мал. 113, б). У разі проходження такого імпульсу через контур робота електричного струму буде від’ємною. Це означає, що вони не лише не поповнюють енергію контура, а навпаки, зменшують. Тому розрізняють прямий і обернений зворотний зв’язок.

Якщо в автогенераторі поступово збільшувати відстань між котушкою зворотного зв’язку й контурною котушкою, амплітуда автоколивань зменшується. І з досягненням деякої відстані між котушками коливання припиняються. Це означає, що за слабкого зворотного зв’язку енергія, що надходить у контур за кожний півперіод, менша від енергії, яка втрачається.

Мал. 113. Графіки коливань у генераторі з оберненим зворотним зв’язком

Отже, зворотний зв’язок повинен бути таким, щоб:

по-перше, напруга на емітерному переході змінювалась синфазно з напругою на контурі. Це фазова умова самозбудження генератора;
по-друге, зворотний зв’язок має забезпечити надходження в контур такої кількості енергії, яка повністю компенсує необоротні втрати енергії. Це амплітудна умова самозбудження.

За допомогою автоколивальних систем можна одержувати незатухаючі електромагнітні коливання в широкому діапазоні частот. Низькочастотні коливання одержують унаслідок обертання рамок із провідників в однорідних магнітних полях (змінний струм низької частоти). Коливання високої частоти добувають за допомогою інших пристроїв, наприклад, за допомогою генератора на транзисторі.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Чим відрізняються автоколивання від вимушених і вільних коливань? 2. Назвіть основні елементи автоколивальної системи. 3. Яка роль транзистора в генерації автоколивань?

Зміст

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України