Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 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 Lзв, 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 Ue (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 Uе на емітерному переході змінилася на π (мал. 113, а). Отже, імпульси струму, що проходять через транзистор, припадають на від’ємні півперіоди коливань напруги Uк 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?