Затухаючі електромагнітні коливання. Автоколивання

Реальний коливальний контур завжди чинить певний опір електричному струмові. Тому частина наданої кон­туру енергії безперервно перетворюється у внутрішню енергію з'єднувальних проводів. Крім того, частина енергії випромінюється в навколишнє середовище. Це означав, що вільні електромагнітні коливання в контурі практично завжди є затухаючими. Чим більший опір контуру, тим швидше відбуваються затухання; якщо опір контуру дуже великий, коливання взагалі можуть і не виникнути — конденсатор розрядиться, але перезаряджання його не відбудеться.

Щоб електромагнітні коливання існували тривалий час, тобто не затухали, достатньо до коливального кон­туру увімкнути джерело змінної ЕРС. Ця ЕРС виклика­тиме в контурі вимушені коливання заряду (сили струму й напруги) з частотою, що дорівнює частоті зміни ЕРС джерела. Під час вимушених коливань енергія підводиться до контуру безперервно, внаслідок чого ці коливання будуть незатухаючими. Джерело змінної ЕРС, яке підтри­мує незатухаючі електромагнітні коливання в реальному контурі, називають генератором електромагнітних коли­вань.

Особливо важливі і широко вживані електромагнітні автоколивання — незатухаючі коливання, підтримувані в коливальній системі не за рахунок періодичного зовніш­нього впливу, а в результаті здатності коливальної системи самій регулювати надходження енергії від постійного зовнішнього джерела. Такі системи називають автоколи­вальними.

В автоколивальних системах незатухаючі електричні _ливаНня виникають під дією процесів, які відбуваються Bcept ині системи, і для їх підтримання не потрібно ніяких зовні тніх впливів. До складу автоколивальних систем входять джерело енергії, причому достатньо енергомістке, щоб втоа-тк енергії за кілька коливань були значно ценіпиу.и. ніж повна енергія джерела. Для електричних автоколивань таким джерелом може бути акумуляторна батарея чи інше джерело ЕРС. Якщо сама система регулю­ватиме надходження енергії від джерела для компенсації втрат на нагрівання провідників, то в ній виникатимуть неза^т^агочі коливання.

Коливання в автоколивальних системах виникають самодовільчо (самозбудження), під дією випадкових малих впливів, які виводять систему з рівноваги. Малі коливання самодовільно наростають, і в результаті встанов­люються коливання, властивості яких (частота, амплітуда, форма тощо) визначаються властивостями самої системи і не залежать від початкових умов. Цим автоксливания принципово відрізняються від вимушених електромагніт­них коливань, частота яких збігається з частотою зов­нішньої ЕРС, а амшгітупа коливань залежить в*д амплі­туди ЕРС.

§ 13. Генератор незатухаючих коливань

Електричні автоколивальні системи надзвичайно ши­роко використовуються в сучасній техніці для одержання незатухагочих електромагнітних коливань високої частоти. Принцип дії цих систем подібний до принципу дії меха­нічних автоколивальних систем. Електрична автоколи­вальна система містить коливальний контур, •підсилювач коливань і джерело електри^шої енергії -(батарею). Між коливальним контуром і підсилювачем існує зворотний зв'язок — коливання -в «еятуру надходять в підсилювач, підсилюються»а раісуивк джерела енергії і повертаються назад в коливальний контур. Дужо важливо, щоб коли­вання, які надходять з підсилювача в контур, збігалися за фазою з коливаннями у самому контурі.

Існує багато автоколивальних схем як а електронними лампами, тхж і з транзисторами. На малюнку 19 показано спрощену схему електричної автоколивально; системи — автогенератора електромагнітних коливань на транзи­сторі, Коливальний контур LC з'єднано послідовно з

джерелом постійної ЕРС і транзистором. В коло емітер — база транзистора увімкнена котушка L_3b, індуктивно зв'язана з коливальним контуром. Цю котушку називають котушкою зворотного зв'язку. Паралельно з коливальним контуром увімкнено електронний осцилограф для спосте­реження електромагнітних коливань. Генератор живиться від джерела постійної напруги.

Працює автогенератор на транзисторі так. Вмикаючи джерело живлення, через транзистор проходить імпульс струму і, який заряджає конденсатор контуру. У резуль­таті в коливальному контурі виникають вільні електромаг­нітні коливання. Змінний струм, проходячи котушкою контуру, індукує на кінцях котушки зворотного зв'язку змінну напругу U_c (мал. 20, а). Ця напруга подається на емітерний перехід транзистора. Внаслідок цього через транзистор проходять імпульси сили струму, тривалість яких залежить від режиму роботи транзистора. На малюн­ку 20, б показані імпульси сили струму, які тривають протягом півперіоду генерованих коливань. У перший півперіод коливання, коли емітерний перехід вмикається в прохідному напрямі, в колекторному колі транзистора йде струм. Цей струм збігається за напрямом зі струмом в котушці контуру. В результаті сила струму в котушці наростає і відбувається підзаряджання конденсатора, тобто компенсуються втрати енергії в контурі.

В наступний півперіод, під час зміни в контурі напряму струму, на емітерний перехід транзистора з котушки зворотного зв'язку подається напруга протилежного знаку. Емітерний перехід вмикається в запірному напрямі, що

веде до зникнення струму в колекторі, тобто до запирання транзистора. Коливальний контур протягом півперіоду відмикається від джерела напруги.

В наступний півперіод процес повторюється. Таким чином, роль транзистора зводиться до вмикання і вими­кання джерела постійної напруги, за рахунок енергії якого в контурі підтримуються незатухаючі коливання. На ма­люнку 20, в заштриховані площі пропорційні енергії, яка надходить в контур за кожний період коливань.

Може показатися, що з кожним періодом амплітуда коливань, які виникають у контурі, зростатиме до нескін­ченності. Так би воно й було, якби сила струму емітера могла необмежено зростати при збільшенні напруги на емітерному переході. Але внаслідок насичення струму в транзисторі, амплітуда коливань не може зростати до нескінченності; встановиться цілком певне її значення для даного режиму роботи генератора. Амплітуда автоколи-вань повністю визначається параметрами автоколивальної системи.

Щоб коливання, які виникли в контурі після замикання колекторного кола, були незатухаючими, необхідно, щоб у колі емітера коливання збігалися за фазою з коливан­нями в контурі.

Генератори незатухаючих коливань на транзисторах характеризуються високою надійністю в роботі, мають великий ККД, можуть працювати від малопотужних джерел живлення при надзвичайно низьких напругах на колекторі, дають можливість в широких межах варіювати частоту, інтенсивність і форму коливань.