Автоколебания автоколебательная система генератор незатухающих электромагнитных колебаний

Т. Автоколебания

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль «клапана» играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку Lсв индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

При замыкании цепи через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор С колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромагнитные колебания малой амплитуды. Ток, протекающий по контурной катушке L, индуцирует на концах катушки обратной связи переменное напряжение. Под действием этого напряжения электрическое поле эмиттерного перехода периодически то усиливается, то ослабляется, а транзистор то открывается, то запирается. В те промежутки времени, когда транзистор открыт, через него проходят импульсы тока. Если катушка Lсв подключена правильно (положительная обратная связь), то частота импульсов тока совпадает с частотой колебаний, возникших в контуре, и импульсы тока приходят в контур в те моменты, когда конденсатор заряжается (когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно). Поэтому импульсы тока, проходящие через транзистор, подзаряжают конденсатор и пополняют энергию контура, и колебания в контуре не затухают.

Если при положительной обратной связи медленно увеличивать расстояние между катушками Lсв и L, то с помощью осциллографа можно обнаружить, что амплитуда автоколебаний уменьшается, и автоколебания могут прекратиться. Это значит, что при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур, меньше энергии, необратимо преобразуемой во внутреннюю. Таким образом, обратная связь должна быть такой, чтобы: 1) напряжение на эмиттерном переходе изменялось синфазно с напряжением на конденсаторе контура — это фазовое условие самовозбуждения генератора; 2) обратная связь обеспечивала бы поступление в контур столько энергии, сколько ее необходимо для компенсации потерь энергии в контуре — это амплитудное условие самовозбуждения.

Частота автоколебаний равна частоте свободных колебаний в контуре и зависит от его параметров.

Уменьшая L и С, можно получить высокочастотные незатухающие колебания, используемые в радиотехнике.

Амплитуда установившихся автоколебаний, как показывает опыт, не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы — напряжением источника, расстоянием между Lсв и L, сопротивлением контура.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 394-395.

Автоколебания автоколебательная система генератор незатухающих электромагнитных колебаний

«Физика — 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником энергии.
Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания.

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор.
Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения.

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно.
Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Источник постоянного напряжения, постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания.
В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник.

В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору.
Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный.
При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.
Это соответствует разомкнутому ключу.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя — положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре.
Необходима обратная связь.

Здесь обратная связь — индуктивная.
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью LCB, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура.
Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе.
Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают.
Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника.
Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника.
Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система — та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему — клапан (в рассмотренном генераторе — транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе — индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

Читайте также  Тойота краун замена генератора

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Автоколебания автоколебательная система генератор незатухающих электромагнитных колебаний

После однократной зарядки конденсатора в колебательном контуре возникают гармонические колебания, частота колебаний определяется параметрами контура. Электромагнитные колебания в любом реальном контуре быстро затухают из-за потерь энергии на нагревание проводок и излучение электромагнитных волн. Для поддержания незатухающих электромагнитных колебаний в контуре необходимо пополнять запасы энергии в нем. Это можно сделать, периодически подключая конденсатор контура к источнику постоянного тока. Трудность заключается в том, что электрические колебания в контуре происходят с частотой сотни тысяч или миллионы герц. С такой частотой конденсатор нужно подключать к источнику постоянного тока и отключать от него; при этом согласуя моменты подключений обкладок конденсатора с моментами приобретения ими заряда, совпадающими по знаку со знаками полюсов подключаемого источника тока.

В качестве быстродействующего «ключа» для получения незатухающих высокочастотных колебаний может использоваться полупроводниковый транзистор. Через транзистор (рис. 232) конденсатор колебательного контура соединяется с источником постоянного тока. Пока на базу транзистора не подается управляющий сигнал, ток через него не проходит, конденсатор отключен от источника постоянного тока. При подаче управляющего сигнала на базу через транзистор протекает электрический ток и конденсатор колебательного контура заряжается от источника постоянного тока.

Для согласования моментов подключения колебательного контура к источнику постоянного тока с соответствующими моментами изменения напряжения на конденсаторе используется принцип обратной связи.

При зарядке и разрядке конденсатора колебательного контура изменения силы тока в катушке контура вызывают изменения магнитного поля вокруг нее. При этом происходят изменения магнитного потока и возникает ЭДС индукции во второй катушке называемой катушкой обратной связи. Один конец катушки обратной связи соединен с эмиттером транзистора, второй через конденсатор С — с его базой. Катушка обратной связи включена таким образом, что при увеличении силы тока в цепи коллектора на базу подается напряжение, отпирающее транзистор;

при уменьшении коллекторного тока — напряжение, запирающее транзистор. Такой тип связи называется положительной обратной связью.

Резистор в цепи базы транзистора задает начальные значения силы тока базы и коллектора при отсутствии переменного напряжения на концах катушки связи Задание начального тока через транзистор позволяет усиливать как положительные, так и отрицательные сигналы, поступающие на вход транзистора.

Если конденсатор колебательного контура имеет в начальный момент небольшой заряд и разряжается через катушку то в контуре возникают свободные электрические колебания малой амплитуды. Эти колебания через цепь обратной связи управляют коллекторным током транзистора, конденсатор колебательного контура через транзистор периодически получает дополнительный электрический заряд. При этом энергия электрического поля в конденсаторе увеличивается, растет амплитуда колебаний напряжения на конденсаторе колебательного контура.

Однако увеличение амплитуды колебаний напряжения в электрическом контуре не продолжается беспредельно. Объясняется это нелинейной зависимостью напряжения на выходе транзистора от напряжения на его входе. При возрастании напряжения между базой и эмиттером сила тока через транзистор увеличивается, однако это возрастание с увеличением напряжения между базой и эмиттером становится все меньше. При некотором значении амплитуды колебаний напряжения между базой и эмиттером возрастание амплитуды коллекторного тока прекращается. При этом потери энергии в колебательном контуре за период компенсируются поступлением энергии в контур от источника тока.

Рассмотренный генератор незатухающих электромагнитных колебаний является примером автоколебательной системы. Автоколебательной называется система, состоящая из элемента, в котором могут происходить свободные колебания источника энергии, элемента, управляющего поступлением энергии от источника к колебательной системе, и устройства, обеспечивающего положительную обратную связь колебательной системы с управляющим элементом. Особенностью автоколебательной системы является поддержание колебаний постоянной амплитуды за счет автоматического пополнения энергии в колебательной системе от внутреннего источника.

В транзисторном генераторе элементом, в котором могут происходить свободные колебания, является электрический контур; источником энергии для поддержания незатухающих колебаний может быть гальваническая батарея, аккумулятор или другой источник постоянного тока.

Управляющим элементом в автогенераторе является транзистор, обратная связь осуществляется с помощью катушки индуктивно связанной с катушкой электрического колебательного контура.

Автоколебания

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Автоколебания»

На прошлых уроках мы с вами знакомились с колебательным движением, то есть процессом, при котором какая-либо физическая величина, характеризующая этот процесс, последовательно изменяется то в одну, то в другую сторону около некоторого своего среднего значения.

Мы с вами показали, что любые свободные колебания (будь то механические или электрические) с течением времени затухают из-за потерь энергии (трение, сопротивление среды, сопротивление проводников тока и так далее).

Между тем и в технике, и в физических опытах нужны и важны незатухающие колебания, периодичность которых сохраняется всё время, пока система колеблется. Мы уже с вами знаем, что вынужденные колебания, при которых потери энергии восполняются работой периодической внешней силы, являются незатухающими. Но откуда взять внешнюю периодическую силу? Ведь она в свою очередь требует источника каких-то незатухающих колебаний.

На практике, чаще всего незатухающие колебания создаются такими устройствами, которые сами могут поддерживать свои колебания за счёт некоторого постоянного источника энергии, не обладающего колебательными свойствами. Такие устройства называются автоколебательными системами, а происходящие в них колебания — автоколебаниями.

Рассмотрим простейшую автоколебательную систему.

Вот у нас есть пружинный маятник к грузу которого прикреплена небольшая металлическая пластинка. Под системой располагается небольшая чашечка со ртутью. Возьмём источник постоянного тока, один полюс которого соединим с пружинкой, а второй — с чашечкой. При опускании груза электрическая цепь замыкается и по пружине проходит ток. Витки пружины благодаря магнитному полю тока начинают при этом притягиваться друг к другу. Пружина сжимается, и груз начинает двигаться вверх. Вследствие этого контакт разрывается и витки перестают стягиваться — груз опять опускается, и весь процесс повторяется снова.

Таким образом, колебание пружинного маятника, которое само по себе затухало бы, поддерживается периодическими толчками, обусловленными самим колебанием маятника. При этом система сама управляет работой действующей на неё силы с помощью контакта-прерывателя и регулирует поступление энергии от источника.

Колебания не затухают именно потому, что за каждый период от источника тока отбирается ровно столько энергии, сколько её расходуется за то же время на трение и другие потери. Что же касается периода этих незатухающих колебаний, то он практически совпадает с собственным периодом пружинного маятника, то есть определяется жёсткостью пружины и массой груза.

Подобным образом возникают незатухающие колебания молоточка в электрическом звонке, с той лишь разницей, что в нём периодические толчки создаются отдельным электромагнитом. Электромеханические автоколебательные системы очень широко применяются в технике. Но не менее распространёнными и важными являются чисто механические автоколебательные устройства. Примерами могут служить колебания струн в смычковых инструментах, колебания воздуха в органных трубах и практически любой часовой механизм. Так, незатухающие колебания маятника или балансира часов поддерживаются за счёт потенциальной энергии поднятой гири или за счёт упругой энергии заведённой пружины.

Рассмотрим более подробно механические автоколебания на примере маятниковых часов с анкерным ходом, схему которых вы сейчас видите на экране. Колесо с косыми зубьями (его ещё называют ходовым колесом) жёстко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей. К маятнику приделана перекладина (анкер), на концах которой укреплены пластинки, изогнутые по окружности с центром на оси маятника. Анкер даёт возможность ходовому колесу провернуться только на один зуб за каждые полпериода маятника. В те моменты, когда зуб ходового колеса «чиркает» по торцу палетты, маятник получает толчок в направлении своего движения. Эти толчки и восполняют расход энергии на трение.

Интересно, что первые мысли о применении маятника в простейших приборах измерения времени пришла великому итальянскому учёному Галилео Галилею. Сохранилось предание, что в 1583 году молодой учёный, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая пульс, что время одного колебания люстры остаётся примерно постоянным, хотя размах делается все меньше и меньше. Позже Галилей установил, что при малой амплитуде период колебаний маятника зависит только от его длины и имеет постоянную длительность. Такие колебания стали называть изохронными. Очень важно, что при изохронных колебаниях период маятника не зависит от его массы. Благодаря этому свойству маятник оказался очень удобным прибором для измерения небольших отрезков времени.

Читайте также  Автономный генератор жизни аккорды

Однако маятник в качестве регулятора хода часов стал входить в широкое применение только после 1673 года после появления классического труда по механике Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы». А якорно-анкерный спуск, удачно подошедший маятниковым часам, был изобретён где-то около 1676 года английским часовщиком Уи́льямом Кле́ментом.

На данный момент старейшие маятниковые часы Европы находятся в Республике Беларусь в городе Гродно.

Они находятся в рабочем состоянии уже на протяжении более 500 лет. Часовой механизм приводит в действие 70-килограммовая механическая гиря, находящаяся в шахте высотой 15 м. Чтобы часы работали исправно, каждый день смотритель поднимает эту гирю на высоту пятиэтажного дома.

Теперь давайте установим из каких частей должна состоять колебательная система, что бы в ней могли существовать автоколебания. Для этого соберём цепь, состоящую из колебательного контура, постоянного источника энергии и ключа. Мы уже с вами знаем, что если зарядить конденсатор, то в контуре возникнут затухающие электромагнитные колебания, так как в конце каждого периода заряд на обкладках конденсатора будет уменьшаться. В результате будет уменьшаться и энергия колебаний, так как она пропорциональная квадрату заряда одной из пластин.

Чтобы колебания были незатухающими, необходимо периодически подзаряжать конденсатор, подключая контур к источнику постоянного напряжения. Но подключать источник к конденсатору нужно в только в тот момент, когда к положительному полюсу источника подключена положительно заряженная пластина. Тогда конденсатор сможет подзаряжаться. В противном же случае конденсатор будет разряжаться через источник тока и его энергия будет убывать.

Понятно, что из-за высокой частоты электромагнитных колебаний мы чисто механически словить нужный момент не можем. Поэтому необходимо обеспечить автоматическую работу ключа (или, как его часто называют, клапана). При этом клапан должен быть практически безынерционным и обладать необходимым быстродействием. Долгое время в качестве такого ключа использовались диодные лампы. Однако они были недостаточно надёжны. Всё изменилось 23 декабря 1947 года, когда американские учёные Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли презентовали первый в мире биполярный транзистор (за это изобретение в 1956 году все трое были удостоены Нобелевской премии по физике).

Транзистор, напомним, состоит из трёх различных полупроводников: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер и коллектор являются полупроводниками одного типа (например, p-типа), то есть имеют одинаковые основные носители заряда. А база имеет основные носители противоположного знака (полупроводник n-типа).

Упрощённая схема генератора на транзисторе представляет собой колебательный контур, последовательно подключённый к отрицательному полюсу источника напряжения и коллектору транзистора. Положительный потенциал источника подаётся на эмиттер.

Если на базе транзистора находится отрицательный потенциал, по отношению к эмиттеру, то через транзистор течёт ток (ключ замкнут). В противоположном случае ток через транзистор не идёт — ключ разомкнут. При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным.

Управляет транзисторным ключом цепь индуктивной обратной связи в виде дополнительной обмотки, индуктивно связанной с катушкой индуктивности контура и подключённой к эмиттерному переходу транзистора.

Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то толчки тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени: в полупериод колебаний, когда ЭДС катушки обратной связи создаёт на базе отрицательный потенциал относительно эмиттера, транзистор открыт — конденсатор подзаряжается. В следующий полупериод на базе положительный потенциал относительно эмиттера — транзистор закрыт и подзарядки нет. Таким образом в контуре создают незатухающие электромагнитные колебания, которые широко используются в радиотехнике.

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы большинства автоколебательных систем:

Во-первых, это собственно колебательная система, то есть та часть автоколебательной системы, в которой происходят колебания (в нашем примере — это колебательный контур).

Во-вторых, необходим источник энергии, за счёт которого компенсируются потери (в нашем примере это источник постоянного напряжения).

Ещё нужен клапан — некоторый орган, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определёнными порциями в нужный момент (у нас роль такого клапана выполнял транзистор).

И, конечно же, необходимо устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе таковой является индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

Отметим ещё и то, что для работы автоколебательной системы очень важную роль играет выбор фазы обратной связи. Покажем это на конкретном примере. Возьмём камертон, между ножками которого расположим небольшой электромагнит и включим эту систему в электрическую цепь так, как это показано на экране.

Когда ножки камертона расходятся, происходит замыкание цепи и через обмотку электромагнита течёт ток. Возникающее при этом магнитное поле стягивает ножки камертона и происходит размыкание цепи. Далее следует повторение всего цикла.

А теперь перенесём контакт с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю. Замыкание происходит теперь не при расхождении, а при сближении ножек камертона. То есть момент включения электромагнита передвинут на полпериода по сравнению с предыдущим опытом. Легко видеть, что в этом случае камертон будет все время сжат постоянно включённым электромагнитом. Значит, колебания камертона вообще не возникнут.

Автоколебания

Из курса физики за 11 класс известно, что колебания — это изменение некоторого параметра системы вокруг среднего значения. Одним из видов колебаний являются автоколебания. Рассмотрим суть и особенности автоколебаний, дадим их определение.

Автоколебательные системы

В любой реальной системе происходят потери энергии. Любые колебания в реальных условиях не могут обходиться без притока энергии. Поэтому незатухающие колебания в реальности всегда являются вынужденными. Они постоянно получают энергию, которая компенсирует потери.

Свободные и вынужденные колебания

Рис. 1. Свободные и вынужденные колебания.

Однако процесс пополнения энергии может происходить по-разному. Например, поршень насоса колеблется под действием сил, приложенных к нему через механизм от ведущего вала. Здесь колебания поршня происходят с частотой, задаваемой извне, и вся подводимая энергия сразу же уходит на продвижение перекачиваемой жидкости.

Возможен другой вариант пополнения энергии — маятник часов. С каждым качанием маятник пополняет запасы энергии от анкерного механизма. Существенное отличие здесь состоит в том, что частота пополнения энергии в маятнике регулируется самим маятником.

Если в случае насоса параметры неважны — колебания будут всё равно происходить с частотой, задаваемой валом, — то в случае маятника ситуация другая. Увеличив жесткость пружины или массу баланса, мы изменим частоту колебаний, поскольку качающийся маятник изменит частоту подведения энергии от анкерного механизма.

Системы, в которых незатухающие колебания существуют за счет поступления энергии в систему под ее же управлением, называются автоколебательными. Колебания, возникающие в таких системах, называются автоколебаниями. В отличие от вынужденных колебаний, автоколебания существуют в системе без поступления внешних воздействий.

Еще один пример автоколебательной системы — это электрический генератор с контуром, состоящим из конденсатора и катушки индуктивности. В контуре могут существовать затухающие свободные колебания. Чтобы колебания в контуре стали незатухающими автоколебаниями, необходимо добавить в систему специальный элемент, который бы компенсировал потери энергии в контуре, причем делал бы это с периодом собственных колебаний контура (он находится по формуле Томсона $T=2pi sqrt $).

Таким элементом, как правило, является транзистор. Часть напряжения на катушке поступает на управляющий электрод транзистора (базу), и через участок коллектор-эмиттер транзистора энергия добавляется в контур.

Схема генератора на транзисторе

Рис. 2. Схема генератора на транзисторе.

Элементы автоколебательной системы

Выделим элементы автоколебательной системы:

  • источник, за счет которого восполняются потери энергии колебаний;
  • элемент, в котором возможно существование свободных затухающих колебаний;
  • устройство, регулирующее поступление энергии от источника;
  • обратная связь, управляющая регулирующим устройством, в зависимости от фазы колебаний.

В любой автоколебательной системе есть эти элементы. Отсутствие любого из них приводит к тому, что колебания становятся затухающими или вовсе невозможны.

Рис. 3. Автоколебательная система.

Что мы узнали?

Автоколебательная система — это система, колебания в которой совершаются под управлением самой системы. Простейшими примерами из жизни автоколебательных систем является маятник часов или генератор на транзисторе. Колебания, возникающие в автоколебательных системах, называются автоколебаниями.

Читайте также  Бензиновый генератор sdmo ranger 2500

Генератор на транзисторе. Автоколебания

Вынужденные колебания, которые мы рассматривали до сих пор, возникают поддействием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях. Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи. Потребовалась бы чрезмерно большая скорость вращения ротора. Колебания высокой частоты получают с помощью других устройств, например с помощью генератора на транзисторе.

Он назван так потому, что одной из основных его частей является полупроводниковый прибор — транзистор. Генератор — сложный прибор, и понять принцип его работы нелегко. Автоколебательные системы. Незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения. Но возможны другие способы получения незатухающих колебаний.

Пусть в системе, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, имеется источник энергии. Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания. Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы, называются автоколебательными.

Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями. Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. Он содержит колебательный контур с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источник энергии и транзистор.

Как создать незатухающие колебания в контуре? Известно, что если конденсатор колебательного контура заряжен, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебания заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется, но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного — другой на равные по модулю значения.

В результате энергия колебаний уменьшается, так как она согласно формуле (4.1) пропорциональна квадрату заряда одной из пластин конденсатора. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период. Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно (рис. 92).

Только в этом случае источник подзаряжает конденсатор, пополняя его энергию. Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник (рис. 93). Энергия конденсатора при этом убывает.

Следовательно, источник постоянного напряжения, все время подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания. Половину периода энергия поступает в контур, а в следующую половину периода возвращается в источник. В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору.

Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа (или клапана, как его часто называют). При высокой частоте колебаний ключ должен обладать огромным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор. Транзистор, напомним, состоит из трех различных полупроводников: эмиттера, базы и коллектора.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (это полупроводники р-типа), а база имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник л-типа). Схематическое изображение транзистора показано на рисунке 94. Работа генератора на транзисторе. Упрощенная схема генератора на транзисторе показана на рисунке 95.

Колебательный контур соединен последовательно

с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подан положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный. При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, но переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.

Это соответствует разомкнутому ключу на рисунках Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура при колебаниях, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя (рис. 95) пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно. Это соответствует замкнутому ключу на рисунке 92. В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя — положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать.

Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера. Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом согласовании с колебаниями напряжения на контуре. Необходима, как говорят, обратная связь. Обратная связь в рассматриваемом генераторе индуктивная.

К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью LCB, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура. Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки и тем самым на эмиттерном переходе. Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени и колебания не затухают.

Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника. Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника. Увеличение напряжения ведет к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор. Частота колебаний в контуре определяется индуктивностью L катушки контура и емкостью С конденсатора согласно формуле Томсона: При малых L и С частота колебаний велика.

Обнаружить возникновение колебаний в генераторе (возбуждение генератора) можно с помощью осциллографа, подав на его вертикально отклоняющие пластины напряжение с конденсатора. Генераторы на транзисторах широко применяются во многих радиотехнических устройствах: в радиоприемниках, передающих радио- станциях, усилителях и т.д. Широко применяются они и в современных электронно-вычислительных машинах. Основные элементы автоколебательной системы.

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем (рис. 96): 1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения). 2. Колебательная система, т. е. та часть автоколебательной системы, в которой непосредственно происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, — клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана играет транзистор). 4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе это индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база). Примеры других автоколебательных систем. Автоколебания возбуждаются не только в электрических системах, но и в механических.

К таким системам относятся обычные часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины. К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Мы ознакомились с наиболее сложным видом колебаний — автоколебаниями. В автоколебательных системах вырабатываются незатухающие колебания самых различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ. Э 1. Что такое автоколебательная система! 2. В чем состоит отличие автоколебаний от вынужденных и свободных колебаний! 3. Опишите свойства р—п-перехода в полупроводниках. 4. Как устроен транзистор! 5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний! 6. Как осуществляется обратная связь

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: