Режим мягкого самовозбуждения АГ

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительно­го элемента, и от коэффициента К₀._с возможны два режима самовозбужде­ния: мягкий и жесткий.

В режиме мягкого самовозбуждения рабо­чую точку А выбирают на линейном участке ВАХ усилительного элемента (рисунок 9.1,а), что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения, всегда имею­щихся в реальных условиях из-за флук­туации носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки ВАХ со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S_ср и коэффициента передачи К_0с цепи обрат ной связи.

Рисунок 9.1 – Диаграммы, поясняющие режимы самовозбуждения.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе установится стацио­нарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных ко­лебаний, причем угол отсечки выходно­го тока 0> 90°. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы. Обратим внимание: если бы усили­тельный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики форма выходного тока усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при доста­точно большой добротности (Q=50…200) колебательной системы первая гармо­ника этого тока и, следовательно, на­пряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармоничес­кие колебания.

9.5 Режим жесткого самовоз­буждения

При этом режиме напря­жение смещения задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначи­тельные колебания, возникшие в конту­ре, не могут вызвать ток в выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возни­кают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникно­вения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрируется на рисунке 9.1, б. Видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая 1) ток i_вых = 0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напря­жения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В ста­ционарном режиме усилительный эле­мент работает с углами отсечки выход­ного тока <90°.

Для удобства эксплуатации автогене­ратора целесообразнее применять мяг­кий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника пи­тания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки <90° обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режи­ме автогенератора более выгоден имен­но режим с малыми углами отсеч­ки выходного тока усилительного эле­мента.

 

УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ АГ

Процесс возник­новения и установления колебаний в автогенераторе удобно исследовать с помощью колебательных характери­стик и линий обратной связи.

10.1 Колебательные характе­ристики

Они представляют со­бой зависимости амплитуды первой гармоники выходного тока усилитель­ного элемента I_m1 от амплитуды входно­го напряжения U_mвх при неизменном на­пряжении смещения U₀ и разомкнутой цепи обратной связи: . Эти зависимости имеют нелинейный характер и могут быть получены экспе­риментально путем перевода генератора в режим с внешним возбуждением.

Рисунок 10.1 – Колебательные характеристики АГ.

На рисунке 10.1 показаны три колеба­тельные характеристики, соответствую­щие разным напряжениям смещения. Характеристика 1 соответствует смеще­нию, при котором крутизна вольт-ам­перной характеристики имеет наиболь­шее значение. По мере увеличения на­пряжения U_mвх средняя крутизна па­дает, и наклон характеристики умень­шается.

Характеристика 2 соответствует мень­шему напряжению смещения, при кото­ром статическая крутизна ВАХ усилительного эле­мента в рабочей точке меньше макси­мальной крутизны. Вследствие этого с увеличением напряжения средняя крутизна S_ср растет и лишь при очень больших значениях U_mвх начинает уменьшаться.

Третья характеристика соответствует случаю, когда при отсутствии входного сигнала ток через усилительный эле­мент не проходит. Этот ток, а следова­тельно, ток в колебательном контуре, появляется лишь при некоторой ампли­туде напряжения U_mвх, достаточной для отпирания лампы или транзистора в течение части периода высокочастот­ного колебания.

Линии обратной связи

Эти линии определяют зависимость амплитуды U_mвх, т. е. выходного на­пряжения цепи обратной связи, от ам­плитуды тока I_m1, являющегося вход­ным током этой цепи: .

Поскольку и получаем

.

Отсюда следует, что линии обратной связи графически изображаются в виде прямых, выходящих из начала коорди­нат (рисунок 10.2). Наклон этих прямых различен и зависит от значения коэф­фициента К_ос. Чем сильнее обратная связь в автогенераторе, тем меньший угол наклона имеет линия обратной свя­зи относительно оси U_mвх (на рисунке 10.2 ).

Рисунок 10.2 – Линии обратной связи.

10.3 Определение стационар­ной амплитуды колебаний

В стационарном режиме АГ амплитуда входного напряже­ния U_mвх и соответствующая данному режиму амплитуда первой гармоники выходного тока I_m1 усилительного эле­мента должны одновременно удовлетво­рять обоим указанным зависимостям. Это возможно только в точках пересече­ния колебательной характеристики и линии обратной связи. На рис. 10.3 ось абсцисс колебательной характе­ристики U_mвх служит одновременно осью ординат линий обратной связи 2-5, причем масштаб на них одинаковый. По общей оси ординат характеристики 1 и линий 2-5 откладывается ток I_m1.

Линия обратной связи 2, соответст­вующая коэффициенту передачи цепи обратной связи , имеет с ко­лебательной характеристикой 1 общую точку только в начале координат. В этом случае самовозбуждения автоге­нератора не происходит из-за малого коэффициента К_ос или малого значения резонансного сопротивления контура R_рез.

Рисунок 10.3 – Определение стационарного состояния АГ в режиме мягкого самовозбуждения.

 

При критическом коэффициенте прямая обратной связи 3 сливается с колебательной характери­стикой в области ОА, в которой она линейна, но не пересекает эту характе­ристику.В данном случае самовозбуждение также отсутствует, что подтверждает вывод: в автогенераторе, работающем в линейном режиме и имеющем , получить автоколебания не­возможно.

Колебания в АГ возникают лишь при коэффициенте , которо­му соответствует линия обратной связи 4. Эта линия в условиях мягкого режи­ма самовозбуждения имеет с колеба­тельной характеристикой две общие точки, 0 и В. Точка В соответст­вует стационарному состоянию автогенератора, характеризующемуся ампли­тудами тока I_m1B и напряжения U_mвхВ. В это состояние генератор приходит в процессе самовозбуждения, но может выйти из него под действием различных дестабилизирующих факторов.

Рас­смотрим процессы, которые будут при этом протекать.

Предположим, что напряжение на входе усилительного элемента умень­шилось до значения U_mвхС. Это напря­жение вызовет в выходной цепи генера­тора ток I_m1C (точка С на рисунке 10.3), который, благодаря обратной связи, увеличит напряжение на входе до U_mвхА, что приведет, согласно харак­теристике 1, к увеличению тока до I_m1A и т. д. В результате генератор вернется в состояние, определяемое точ­кой В пересечения характеристик 1 и 4. Аналогично можно показать, что если под действием каких-либо причин на­пряжение на входе усилительного элемента увеличится и станет больше, чем U_mвхВ (точка D на рисунке 10.3), генера­тор вновь автоматически перейдет в состояние, определяемое точкой В. Приведенные рассуждения подтверж­дают, что точка В является точкой устойчивого равновесия и соответствует стационарному режиму работы автоге­нератора. Амплитуды напряжения и то­ка в стационарном режиме определяют­ся величиной обратной связи. При уве­личении обратной связи (рисунок 3, пря­мая 5) соответствующие стационарные амплитуды увеличиваются до значений U_mвхЕ и I_m1E.

Вторая общая точка колебательной характеристики 1 и линии обратной свя­зи 4 (рисунок 10.3, точка 0) является неустойчивой, так как в ней возникшие колебания вне зависимости от началь­ной амплитуды нарастают до колебаний со стационарными амплитудами, опре­деляемыми положением точки В.

Рисунок 10.4 – Определение стационарного состояния АГ в режиме жесткого самовозбуждения.

В условиях жесткого режима само­возбуждения (рисунок 10.4) колебательная характеристика 1 и линия обратной связи имеют три общих точки: О, А, В. Точка 0 характеризует устойчивое состояние покоя автогенератора, т. е. отсутствие самовозбуждения при малых начальных амплитудах колебаний. Ко­лебания возникают только когда первоначальная амплитуда входного напряжения становится больше U_mвхА, определяемого точкой А на рис. 10.4, например, напряжение увеличилось до значения U_mвхС. Вызванный этим напряжением ток I_m1C увеличит c помощью обратной связи напряжение на входе генератора, что приведет к большему возрастанию тока и т. д.

(см. рисунок 10.4, линии со стрелками). В результате достигается устойчивый колебательный режим (точка В), характеризуемый амплитудами U_mвхВ и I_m1B.

Предположим теперь, что напряжение на входе генератора стало меньше, чем U_mвхА и достигло значения U_mвхВ, определяемого точкой D. Тогда ток уменьшится до I_m1D, что вызовет дальнейшее уменьшение входного напряжения, как это показано линиями со стрелками на рис. 4. В результате колебания затухают. Следовательно, точка А пересечения колебательной характеристики и линии обратной связи характеризует неустойчивое состояние режима автогенератора.