Автоколебательный генератор незатухающих электромагнитных колебаний это

Принцип работы генератора электромагнитных колебаний на транзисторе

Рассмотрим принцип работы генератора незатухающих колебаний на транзисторе.

В схеме (рис.7) используется транзистор pn-p типа (лабораторная работа № 11). При подключении источника питания на эмиттер такого транзистора подается обязательно положительный потенциал.

На одном каркасе намотаны несколько катушек индуктивности. Основные — это катушка колебательного контура L и катушка связи — L, подключенная одним концом к базе транзистора. Первое условие работы генератора — достаточно сильная связь между катушкой связи и катушкой контура.

К базе и коллектору транзистора подключен переменный резистор. Поворотом регулировочной ручки этого резистора выбирается рабочая точка на характеристике транзистора. При правильном выборе рабочей точки можно добиться идеальной синусоиды полученного переменного тока.

Второе условие работы генератора — восполнение энергии за один период не может быть меньше потерь энергии. Выполнение этого условия обеспечено самой конструкцией генератора.

Третье условие — выполнение фазовых соотношений. При подключении генератора к источнику питания ток идет через катушку LКК, индуктивное сопротивление XL = wLКК будет большое, соответственно напряжение на катушке тоже будет большое. Конденсатор контура СКК включен параллельно катушке, потому он зарядится до максимального напряжения. В колебательном контуре возникнут электрические колебания. Магнитное поле катушки LКК пронизывает катушку связи L и вызывает появление ЭДС в этой катушке. Катушка связи подключена к эмиттеру и базе транзистора, у которого первый pn переход включен в прямом направлении. Если напряжение от катушки связи будет подано так, что на эмиттере будет плюс, а на базе минус, то транзистор откроется, а в противном случае закроется. Таким образом, сам колебательный контур с помощью катушки связи и транзистора может включать и выключать в нужном режиме источник питания. На этом основано пополнение убыли энергии в колебательном контуре.

Такое соотношение между токами в колебательном контуре и знаками ЭДС на катушке связи будет являться третьим условием работы генератора незатухающих колебаний.

Если генератор не заработал, то достаточно на основании третьего условия переключить концы катушки связи.

Таким образом, при выполнении указанных условий работы генератора, в схеме, представленной на рис.7, в течение периода колебаний происходят следующие изменения тока, заряда и напряжения.

Первая четверть периода. Положительно заряженная пластина конденсатора, соединенная с коллектором, разряжается. Ток в колебательном контуре возрастает до максимального значения . В катушке связи возникает индукционный ток такого направления, что база имеет отрицательный потенциал относительно эмиттера. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Транзистор открыт. Энергия от источника поступает через транзистор в колебательный контур (ключ замкнут).

Вторая четверть периода. Ток в контуре убывает. Верхняя пластина заряжается отрицательно. В катушке связи ток меняет направление. На базе положительный потенциал. Переход коллектор — база обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).

Третья четверть периода. Конденсатор разряжается. Ток растет до максимального значения, направлен от нижней к верхней пластине. В катушке связи ток направлен так, что база получает положительный потенциал. Переход база — коллектор обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).

Четвертая четверть периода. Ток в контуре, не меняя направления, убывает. Верхняя пластина заряжается положительно. В катушке связи ток меняется по направлению. Заряд на базе отрицательный. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Энергия поступает от источника в колебательный контур (ключ замкнут).

Принцип работы генератора электромагнитных колебаний на транзисторе

Схемы генераторов высокой частоты (ВЧ)

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Основное предназначение блокинг-генераторов заключается в создании мощных коротких импульсов с крутыми фронтами и большой скважностью. В настоящее время они используются в импульсных блоках питания в качестве задающих генераторов

Так же как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в следующих режимах: автоколебательном, ждущем, синхронизации и деления частоты, но наиболее распространенным являются автоколебательный и ждущий режимы.

Типичные реализации источника, генератора тока

Приведенные схемы обладают рядом серьезных недостатков. Схема A1

на полевом транзисторе — одна из худших реализаций. Рассчитать ее параметры невозможно, так как они зависят от индивидуальных особенностей экземпляра полевого транзистора. Нужный ток устанавливается подбором резистора. Схема может функционировать, когда сопротивление резистора равно 0. Дифференциальное сопротивление (а значит стабильность тока) схемы невысоко, нередко оно бывает меньше 200 кОм. На работу этого варианта сильно влияет температура полевого транзистора. Преимущество одно — это действительно двухполюсник. Он не требует подвода дополнительного питания. Это бывает очень важно в некоторых схемах.

обладает гораздо лучшими характеристиками. В случае применения транзисторов с большим коэффициентом передачи тока, схема может иметь дифференциальное сопротивление выше 1 МОм (10 МОм, или даже больше). Но вывода у схемы не два, а три. Так что она может быть включена только в некоторые электронные схемы, в которых один вывод источника тока подключен к шине питания или общему проводу, и есть возможность подвести к одному из выводов общий провод или питание соответственно. На рисунке приведена схема с подключением к шине питания. Схема с подключением к общему проводу выглядит совершенно аналогично с той разницей, что ее надо перевернуть и поменять проводимость транзистора и полярность стабилитрона.

Обратите внимание, что в схеме в качестве источника опорного напряжения используется стабилитрон. Для стабилитронов характерна зависимость напряжения стабилизации от температуры. Помните об этом при проектировании источников тока. Стабилитрон может быть источником шумов. Чтобы уменьшить их влияние на работу устройства параллельно стабилитрону можно подключить керамический конденсатор емкость 0.1 мкФ.

Схема генератора высокого напряжения из строчника на одном транзисторе Строчный трансформатор ТВС-110ПЦ15 Строчный трансформатор ТВС-110ПЦ15 с двумя дополнительными обмотками Умножитель напряжения УН9/27-13 Генератор высокого напряжения. Разрядник

Механизм генерации

Упрощенно схему можно представить так:

Вместо транзистора мы ставим некий «элемент с отрицательным сопротивлением». По сути – усилительный элемент. То есть, ток на его выходе больше, чем ток на входе (так вот хитро).

К входу этого элемента подключен колебательный контур. С выхода элемента на этот же колебательный контур подана обратная связь (через кондер C2). Таким образом, когда на входе элемента ток увеличивается (происходит перезарядка контурного конденсатора), увеличивается ток и на выходе. Через обратную связь, он подается обратно на колебательный контур – происходит «подпитка». В результате, в контуре устаканиваются незатухающие колебания.

Все оказалось проще пареной репы (как всегда).



Разновидности

В безбрежном инете можно еще встретить такую реализацию этого же генератора:

Схема называется «емкостная трехточка». Принцип работы – тот же.

Во всех этих схемах сгенерированный сигнал можно снимать либо непосредственно с коллектора VT 1, либо использовать для этого катушку связи, связанную с контурной катушкой.

Генератор на логических элементах

Если использование транзисторов в генераторе кажется вам несовременным или громоздким или недопустимым по религиозным соображениям – выход есть! Можно использовать вместо транзисторов микросхемы. Обычно используется логика: элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, реже – Исключающее ИЛИ. Вообще говоря, нужны только элементы НЕ, остальное – излишества, только лишь ухудшающие скоростные параметры генератора.

Видим страшную схему.

Квадратики с дырочкой в правом боку – это инвертеры. Ну или – «элементы НЕ». Дырочка как раз указывает на то, что сигнал инвертируется.

Что такое элемент НЕ с точки зрения банальной эрудиции? Ну, то есть, с точки зрения аналоговой техники? Правильно, это усилитель с обратным выходом. То есть, при увеличении напряжения на входе усилителя, напряжение на выходе пропорционально уменьшается . Схему инвертера можно изобразить примерно так (упрощенно):

Это конечно, слишком просто. Но доля правды в этом есть. Впрочем, нам пока что это не столь важно.

Итак, смотрим схему генератора. Имеем:

Два инвертера ( DD1.1, DD1.2)

Колебательный контур L1 C1

Заметьте, что колебательный контур в этой схеме – последовательный. То есть, конденсатор и катушка стоят друг за другом. Но это – все равно колебательный контур, он рассчитывается по тем же формулам, и ничуть ни хуже (и не лучше) своего параллельного собрата.

Читайте также  Бензиновый генератор wester gnb1100i 1000 вт

Начнем сначала. Зачем нам нужен резистор?

Резистор создает отрицательную обратную связь (ООС) между выходом и входом элемента DD1.1. Это надо для того, чтобы держать под контролем коэффициент усиления – это раз, а также – чтоб создать на входе элемента начальное смещение – это два. Как это работает, подробно мы рассмотрим где-нибудь в обучалке по аналоговой технике. Пока что уясним, что благодаря этому резистору, на выходе и входе элемента, в отсутствие входного сигнала, устаканивается напряжение, равное половине напряжения питания. Точнее – среднему арифметическому напряжений логических «нуля» и «единицы». Не будем пока на этом заморачиваться, у нас еще много дел…

Итак, на одном элементе мы получили инвертирующий усилитель. То есть, усилитель, который «переворачивает» сигнал вверх ногами: если на входе много – на выходе мало, и наоборот. Второй элемент служит для того, чтобы сделать этот усилитель неинвертирующим. То есть, он переворачивает сигнал еще раз. И в таком виде, усиленный сигнал подается на выход, на колебательный контур.

А ну-ка, смотрим внимательно на колебательный контур? Как он включен? Правильно! Он включен между выходом и входом усилителя. То есть, он создает положительную обратную связь (ПОС). Как мы уже знаем из рассмотрения предыдущих генераторов, ПОС нужна для генератора, как валерьянка для кота. Без ПОС ни один генератор не сможет что? Правильно – возбудиться. И начать генерацию…

Все наверно знают такую вещь: если к входу усилителя подключить микрофон, к выходу – динамик, то при поднесении микрофона к динамику, начинается противный «свист». Это – ни что иное как генерация. Мы же подаем сигнал с выхода усилителя на вход. Возникает ПОС. Как следствие, усилитель начинает генерить.

Ну, короче, посредством LC -цепочки в нашем генераторе создается ПОС, приводящая к возбуждению генератора на резонансной частоте колебательного контура.

Ну что, сложно? Если (сложно)

Теперь поговорим о разновидностях подобных генераторов.

Во-первых, вместо колебательного контура, можно включить кварц. Получится стабилизированный генератор, работающий на частоте кварца:

Если в цепь ОС элемента DD1.1 включить вместо резистора колебательный контур – можно завести генератор на гармониках кварца. Для получения какой-либо гармоники, нужно, чтобы резонансная частота контура была близка к частоте этой гармоники:

Если генератор делается из элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, то входы этих элементов нужно запараллелить, и включать как обычный инвертор. Если используем Исключающее ИЛИ, то один из входов каждого элемента сажается на + питания.

Пара слов о микросхемах. Предпочтительнее использовать логику ТТЛШ или быстродействующий КМОП.

Серии ТТЛШ: К555, К531, КР1533 Например, микросхема К1533ЛН1 – 6 инверторов. Серии КМОП: КР1554, КР1564 (74 AC , 74 HC ), например – КР1554ЛН1 На крайний случай – старая добрая серия К155 (ТТЛ). Но ее частотные параметры оставляют желать лучшего, так что – я бы не стал использовать эту логику.

Рассмотренные здесь генераторы – далеко не все, что могут повстречаться вам в этой нелегкой жизни. Но зная основные принципы работы этих генераторов, будет уже намного проще понять работу других, укротить их и заставить работать на себя

Незатухающие колебания и параметрический резонанс

Незатухающие колебания — колебания, энергия которых с течением времени не изменяется. В реальных физических системах всегда существуют причины, вызывающие переход энергии колебаний в тепловую (например, трение в механических системах, активное сопротивление в электрических системах).

Поэтому незатухающие колебания можно получить только при условии, что эти потери энергии восполняются. Такое восполнение автоматически осуществляется в автоколебательных системах за счет энергии из внешнего источника. Электромагнитные незатухающие колебания используются чрезвычайно широко. Для их получения применяются различные генераторы.

Механитческие колебания

Чтобы сделать электрические или механические колебания (колебательного контура или маятника) незатухающими, необходимо все время компенсировать потери на сопротивление или на трение.

Можно, например, воздействовать на колебательный контур переменной ЭДС, которая будет периодически увеличивать ток в катушке, и соответственно поддерживать амплитуду напряжения на конденсаторе. Или можно подталкивать маятник, аналогичным путем поддерживая его гармоническое качание.

Как известно, величина энергии магнитного поля катушки колебательного контура связана с ее индуктивностью и током следующим соотношением (вторая формула — энергия электрического поля конденсатора того же кобательного контура)

Величина энергии магнитного поля катушки колебательного контура

Из первой формулы ясно, что если мы будем периодически увеличивать ток в катушке, воздействуя на контур переменной ЭДС, то (увеличивая или уменьшая второй сомножитель в формуле — ток) станем периодически пополнять тот контур энергией.

Действуя на контур строго в такт его собственным свободным колебаниям, то есть на резонансной частоте, — получим явление электрического резонанса, ведь именно на резонансной частоте колебательная система интенсивне всего поглощает подводимую к ней энергию.

А что, если периодически изменять не второй сомножитель (не ток или напряжение), а первый, — индуктивность или емкость? В этом случае контур тоже испытает изменение своей энергии.

Например, периодически вдвигая и выдвигая сердечник из катушки, или вдвигая и выдвигая из конденсатора диэлектрик, — тоже получим вполне определенное периодическое изменение энергии в контуре.

Запишем это положение для единичного изменения индуктивности катушки:

Положение для единичного изменения индуктивности катушки

Наиболее выразительным эффект раскачки контура получится в том случае, если изменения индуктивности осуществлять точно вовремя. Например, если взять все тот же контур в произвольный момент времени, когда по нему уже течет какой-то ток i, и внести в катушку сердечник, то энергия изменится на такую величину:

Теперь пусть свободные колебания происходят в контуре сами, но в момент времени, когда через четверть периода энергия полностью перешла в конденсатор и ток в катушке обратился в ноль, резко вынем сердечник из катушки. Индуктивность вернется к своему исходному состоянию, к первоначальной величине L. Работы против магнитного поля при выдвигании сердечника затрачивать не придется. Следовательно при вдвигании сердечника в катушку, контур получил энергию, ибо мы совершили работу, величина которой:

Через четверть периода конденсатор начинает разряжаться, его энергия снова переходит в энергию магнитного поля катушки. Когда магнитное поле достигнет амплитуды — снова резко вдвинем сердечник. Опять индуктивность увеличилась, приросла на ту же величину.

И вновь при нулевом токе возвращаем индуктивность к исходному значению. В итоге, если приросты энергии за каждые полпериода превосходят потери на сопротивление, энергия контура будет все время возрастать, амплитуда колебаний станет увеличиваться. Это положение выражается неравенством:

Энергия контура будет все время возрастать, амплитуда колебаний станет увеличиваться

Здесь мы разделили обе части этого неравенства на L, и записали условие возможности параметрического возбуждения скачками для определенной величины логарифмического декремента.

Изменять индуктивность (или емкость) целесообразно два раза за период, следовательно частота изменения параметра (частота параметрического резонанса) должна быть вдвое выше собственной частоты колебательной системы:

Вот и вырисовался путь возбуждения колебаний в контуре без необходимости изменять непосредственно ЭДС или ток. Начальный флуктуационный ток в контуре так или иначе всегда присутствует, и это даже не принимая во внимание наводки от радиочастотных колебаний в атмосфере.

Если индуктивность (или емкость) будут изменяться не скачками а гармонически, то условие возникновения колебаний станет выглядеть несколько иначе:

Так как емкость и индуктивность — это параметры контура (как масса маятника или упругость пружины), то и способ возбуждения колебаний получил называние параметрического возбуждения.

Первый параметрический генератор переменного тока мощностью 4 кВт на изменяющейся индуктивности

Данное явление открыли и изучали на практике в начале 20 века советские физики Мандельштам и Папалекси. На основе данного физического явления они построили первый параметрический генератор переменного тока мощностью 4 кВт на изменяющейся индуктивности.

Читайте также  Автоматическая синхронизация генераторов это

В конструкции генератора семь пар плоских катушек располагались по две стороны на каркасе, в полости которого вращался ферромагнитный диск с выступами. Когда диск приводился во вращение мотором, его выступы периодически входили в пространство между каждой парой катушек, и выходили из него, тем самым изменяя индуктивность и возбуждая колебания.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

§ 2.12. Ламповый генератор

Ламповый генератор представляет собой автоколебательную систему, в которой вырабатываются незатухающие колебания за счет энергии источника постоянного напряжения, например батареи гальванических элементов или выпрямителя. В этом отношении ламповый генератор подобен часам, в которых незатухающие колебания маятника поддерживаются за счет энергии поднятой гири или сжатой пружины.

Ламповый генератор содержит колебательный контур, состоящий из катушки с индуктивностью L и конденсатора емкостью С. Известно, что если конденсатор зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо контур периодически подключать на некоторый промежуток времени к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника обкладка конденсатора заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно (рис. 2.27). Только в этом случае источник подзаряжает конденсатор, пополняя его энергию. При этом электрическое поле зарядов на обкладках конденсатора соверпхает отрицательную работу и энергия конденсатора увеличивается*.

Если же ключ замкнуть в момент времени, когда знаки зарядов на обкладках конденсатора соответствуют рисунку 2.28, то электрическое поле зарядов, имеющихся на обкладках конденсатора, будет совершать положительную работу. Энергия конденсатора при этом уменьшается; конденсатор частично разряжается.

Следовательно, источник постоянного напряжения, все время подключенный к контуру, не может поддерживать в нем незатухающие колебания. Половину периода энергия будет поступать в контур, а в следующую половину периода — уходить из него.

Но если с помощью ключа подключать источник тока к колебательному контуру лишь в те полупериоды, когда происходит передача энергии в контур (см. рис. 2.27), то установятся незатухающие колебания. Понятно, что для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа (или клапана, как его часто называют). Поскольку речь идет о колебаниях очень высокой частоты, то ключ должен обладать огромным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа используется триод (рис. 2.29).

В анодной цепи, в которую включен колебательный контур, должен протекать ток в те промежутки времени, когда обкладка конденсатора, присоединенная к положительному полюсу источника, заряжена положительно. Для этого колебания в контуре должны управлять потенциалом сетки uc, регулирующим силу тока в анодной цепи. Необходима, как говорят, обратная связь**.

Обратная связь в ламповом генераторе, схема которого приведена на рисунке 2.29, является индуктивной. В цепь сетки включена катушка Lc, индуктивно связанная с катушкой колебательного контура. Колебания силы тока в контуре вследствие явления электромагнитной индукции приводят к колебаниям напряжения не концах катушки Lc и тем самым к колебаниям потенциала сетки триода.

Выберем в качестве положительного направления обхода анодной цепи генератора направление против часовой стрелки. Напряжение на конденсаторе контура в этом случае равно разности потенциалов между нижней обкладкой конденсатора, присоединенной к положительному полюсу анодной батареи G, и верхней обкладкой.

Сила тока в контурной катушке отстает по фазе на π/2 от колебаний напряжения на контуре (это напряжение равно напряжению на конденсаторе). ЭДС индукции в катушке Lc (а значит, и напряжение между сеткой и катодом) согласно закону электромагнитной индукции сдвинута по фазе относительно колебаний силы тока в катушке контура тоже на π/2. В зависимости от порядка подключения концов катушки Lc к сетке и катоду лампы сдвиг фаз напряжения на участке сетка — катод равен либо +π/2, либо -π/2. В первом случае колебания напряжения на сетке совпадают по фазе с колебаниями напряжения на конденсаторе. Это означает, что в момент, когда нижняя пластина конденсатора заряжена положительно, сетка также заряжена положительно относительно катода лампы. Лампа при этом отперта, и ток в анодной цепи, созданный батареей G, подзаряжает конденсатор. В момент, когда нижняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, потенциал сетки оказывается ниже потенциала катода и лампа запирается. Анодная цепь размыкается, и конденсатор не разряжается через анодную цепь. Это и является необходимым условием работы генератора.

При переключении концов катушки Lc напряжение на сетке меняет фазу на п. Сетка оказывается заряженной положительно, когда нижняя пластина конденсатора заряжена отрицательно (и наоборот). Анодный ток в лампе при этом разряжает конденсатор, а не подзаряжает его. В этих условиях генератор работать не будет.

После замыкания анодной цепи конденсатор заряжается и в контуре начинаются колебания. Их амплитуда нарастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не будут в точности компенсироваться поступлением энергии из анодной цепи. Эта амплитуда прямо пропорциональна напряжению на полюсах источника тока. Увеличение напряжения источника увеличивает «толчки» тока, подзаряжающего конденсатор контура.

Частота колебаний в контуре определяется индуктивностью L катушки и емкостью С конденсатора контура 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. Если поменять местами концы катушки Lc, присоединяемые к сетке и катоду, генератор работать не будет.

Ламповые генераторы имеются на мощных передающих радиостанциях и входят в состав других радиотехнических устройств.

* Из курса механики известно, что если внутренние силы системы совершают отрицательную работу, то потенциальная энергия системы увеличивается.

** У часов с маятником обратная связь осуществляется анкерным механизмом.

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний — ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ — КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Задачи урока: рассмотреть новый вид колебательной системы — автоколебательную систему; изучить свойства автоколебаний; изучить генератор незатухающих колебаний.

Приёмы и методы

I. Повторение изученного материала

II. Изучение нового материала: понятие об автоколебательной системе, принцип работы клапана, устройство и принцип работы генератора на транзисторе

III. Подведение итогов. Домашнее задание

Решение задач. Фронтальный опрос

Рассказ учителя. Демонстрации. Работа с учебником. Записи в тетрадях. Беседа

Повторение. Выделение главного

Урок проводят и после изучения переменного тока (см. учебник), однако все три вида колебаний можно рассмотреть вместе.

I. Повторяют домашние задачи, фронтально — основные представления об электромагнитных колебаниях и средствах их описания. Письменно один из школьников решает задачу.

Сколько колебаний произойдёт в контуре за время, равное 2 с, если ёмкость конденсатора равна 4800 пФ, а индуктивность катушки равна 1 мкГн?

II. Новый материал достаточно сложный и объёмный, поэтому следует точно выстроить логику его изучения. При первом прочтении дать материал кратко.

1. В реальном колебательном контуре электромагнитные колебания всегда и достаточно быстро затухают. Во-первых, потому что всегда есть активное сопротивление и постоянно идёт превращение части энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию. А это безвозвратная потеря энергии. Во-вторых, обычно в колебательном контуре за время, равное 1 с, происходит много колебаний, и поэтому запасённая энергия быстро теряется. Но на практике важно иметь постоянные колебания. Как быть? Так формулируется учебная проблема урока.

2. Для получения длительных во времени колебаний колебательную систему расширяют, включая в неё источник тока (источник энергии) и специальный клапан (рис. 4.27 учебника). Клапан нужен для того, чтобы быстро и вовремя сообщать энергию в колебательный контур. Внешнее управление для этого не годится: например, не получится включать и выключать ключ. Используют внутреннее управление: сам колебательный контур периодически включает и выключает клапан. Такой механизм управления называют положительной обратной связью. (О роли положительной обратной связи в природе можно подготовить реферат.)

Читайте также  Топливный кран для бензинового генератора

3. В качестве ключа используют так называемый генератор на транзисторе (рис. 4.25, 4.26 учебника). Катушка Lсв связи включена так, что в первую часть периода при возрастании тока в катушке L, а значит, и в катушке Lсв на базе транзистора оказывается потенциал, отпирающий транзистор. При этом ток от батареи поддерживает ток в колебательном контуре, т. е. в контур сообщается энергия. Так продолжается полпериода колебаний. Во вторую часть периода транзистор заперт. (Схема цепи дана на рисунке 56.) Резисторы R1 и R2 специально подбирают. Колебания звуковой частоты можно регистрировать и с помощью гальванометра в цепи контура; подробнее см.: ФЭ-2, с. 51.

Опыты ставят после рассмотрения принципиальной схемы генератора по учебнику (рисунок может быть дан на доске), для выявления в экспериментах свойств автоколебаний используется беседа. Примерные вопросы: как доказать, что частота автоколебаний зависит от параметров колебательного контура? (Ответ. Изменять индуктивность и ёмкость контура.) От чего зависит амплитуда колебаний? (Ответ. От активного сопротивления контура, от ЭДС источника тока, от эффективности обратной связи.) Зависит ли она от источника энергии и от характера обратной связи? (Ответ. Да.)

Выводы. Колебательная система, которая способна поддерживать свои колебания с постоянной амплитудой, называется автоколебательной системой. Можно выделить следующие основные свойства автоколебаний: а) колебания существуют относительно долго, пока есть энергия в источнике тока; б) частота автоколебаний равна частоте собственных колебаний контура; в) амплитуда электромагнитных колебаний в контуре зависит от напряжения источника тока, активного сопротивления контура, вида обратной связи. Автоколебания в отличие от свободных колебаний являются вынужденными колебаниями.

III. Вопросы для повторения: чем отличаются автоколебания от свободных и вынужденных электромагнитных колебаний? Какой элемент цепи (см. рис. 4.26 учебника) обеспечивает обратную связь? Какой элемент цепи используется как клапан? Что будет происходить, если катушку Lсв снять с сердечника? (Теоретический ответ по схеме и опыт.) От чего зависят частота и амплитуда автоколебаний? Является ли колебательный контур в автоколебательной системе замкнутой системой? Сохраняется ли в нём энергия? Предположите, что произойдёт с колебаниями, если ключ разомкнуть (см. рис. 56). (При обобщении знаний используется таблица 14.)

§ 36. Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний

— Ребята, что объединяет все эти примеры. Вспомним, что свободные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Но зачастую просто необходимо сделать их незатухающими. Давайте с вами постараемся найти пути к решению этой проблемы. Что же нужно для того, чтобы во время колебательного процесса энергия не терялась.

— Итак, нам требуется такое устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре для того, чтобы они были незатухающими. Как это можно сделать. (Работа в парах с последующим обсуждением всех предложенных вариантов).

— То есть, существуют такие колебания, которые поддерживаются автоматически – автоколебания. Но их надо как-то получать. Необходимо иметь источник, с помощью которого пополнялась бы энергия колебательной системы. Как называется прибор, который что-то создаёт? Является источником чего-либо. Генератор! Да вы просто генераторы идей!

— Давайте же теперь сформулируем с вами тему нашего сегодняшнего занятия…

Вопросы учащимся (выбирают вопросы случайным образом из «чёрного ящика»)

1.Какие вещества называют полупроводниками?

2. Что такое транзистор?

3. Из каких основных элементов он состоит?

4. Назовите основные носители базы, эмиттера, коллектора.

5. Действие транзистора. Условное изображение на схеме.

6. Колебания. Виды колебаний.

7.Почему колебания затухают с течением времени?

При свободных колебаниях энергия системы уменьшается. В связи с этим стали широко применяться 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. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия. Например, под стальной гирей, висящей на пружине, располагается электромагнит. Если будут попеременно включать и выключать ток, то гиря начнет совершать вынужденные колебания. Попробуйте-ка объяснить, что будет происходить дальше.

  • незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири;
  • колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка;
  • колебание воздушного столба в трубе органа, при равномерной подаче воздуха в неё;
  • вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной
  • образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;
  • голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки.

— Используя метод аналогий, перейдём от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе, которая генерирует электромагнитные колебания. Что можно использовать в качестве источника энергии (источник тока), клапана (транзистор), колебательной системы в электрической цепи (автогенератор). Как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой. (работа с учебником)

Принцип работы генератора на транзисторе ( флеш-рисунок «Генератор на транзисторе» )

— В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.

Наблюдение изменения формы осциллограммы от частоты и амплитуды колебаний

— Предлагаю вам совершить небольшое исследование электромагнитных колебаний звуковой частоты. Что нам для этого понадобиться. Звуковой генератор и осциллограф! Но не простые, а… виртуальные! Поэтому нужна ещё пара компьютеров для ваших мини-лабораторий.

— Делимся на 2 группы для изучения зависимости формы колебаний от их 1) частоты и 2) амплитуды.

— А так как мы будем работать со звуковым генератором, то напомните мне, пожалуйста, диапазон слышимых звуковых частот. ( флеш-рисунок «Диапазоны звуковых частот» )

1 группа будет работать в акустическом (слышимом) диапазоне звуковых частот.

Для 2 группы ограничений в диапазоне амплитуд нет.

Результаты наблюдений зависимости формы колебаний от их частоты:

Результаты наблюдений зависимости формы колебаний от их частоты:

— Ребята, посмотрите, какая у нас получилась необычная картинная галерея! Теперь звуком могут наслаждаться не только наши органы слуха, но и зрения! И не будут казаться странными следующие слова: «Ты ещё не видел новую мелодию? Смотри, какая красивая!»

Мы в нашем мини-исследовании применили звуковой генератор. Что нам известно про него. Какие ещё бывают генераторы.

( OMS -модули «Генератор низкой (звуковой) частоты» и «Генератор высокой частоты» )

Класс снова делится на 2 группы, которые одновременно работают с двумя модулями.

После просмотра всего материала и выполнения заданий каждая группа на листе ватмана составляет схему-опору (для сравнения работы двух генераторов на следующем уроке).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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