Автоколивальні системи. Тріод і транзистор у колах генераторів незатухаючих коливань.

Автоколивання, незгасаючі коливання, які можуть існувати в якій-небудь системі за відсутності змінної зовнішньої дії, причому амплітуда і період коливань визначаються властивостями самої системи. Цим А. відрізняються від вимушених коливань, амплітуда і період яких визначаються характером зовнішньої дії (приставка «авто» і вказує на те, що коливання виникають в самій системі, а не нав'язуються зовнішньою дією). А. відрізняються і від вільних коливань (наприклад, коливань вільно підвішеного маятника, коливань сили струму в електричному контурі) тим, що, по-перше, вільні коливання поступово затухають, по-друге, їх амплітуда залежить від первинного «поштовху», що створює ці коливання. Прикладами А. можуть служити коливання, що здійснюються маятником годинника, коливання струни в смичкових або стовпа повітря у духових музичних інструментах, електричні коливання в ламповому генераторі. Системи, в яких виникають А., називаються автоколивальними.

Автоколивальні системи у багатьох випадках можна розділити на 3 основних елементу: 1) коливальну систему (у вузькому сенсі); 2) джерело енергії, за рахунок якого підтримуються А., і 3) пристрій, регулюючий вступ енергії з джерела в коливальну систему. Ці 3 основних елементу можуть бути виразно виділені, наприклад, в годиннику, в яких маятник або баланс служить коливальною системою, пружинний або гирьовий завод — джерелом енергії, і, нарешті, анкерний хід — механізмом, регулюючим вступ енергії з джерела в систему. У ламповому генераторі коливальною системою служить контур, що містить ємкість і індуктивність і що володіє малим активним опором; випрямляч (або батарея), анод лампи, що живить напругою, є джерелом енергії, а електронна лампа з елементом зворотному зв'язку — пристроєм, регулюючим вступ енергії з джерела в коливальний контур.

За допомогою автоколивальних систем можна одержувати електромагнітні коливання в широкому діапазоні частот. Низькочастотні струми, звичайно, простіше одержувати обертанням рамок з провідників в однорідних магнітних полях, але високочастотні коливання, які використовують у радіотехніці, телебаченні, радіолокації, в деяких інших галузях техніки, медицині, одержати таким способам неможливо.

Вище було з'ясовано, що за певних умов у коливальних контурах можуть відбуватися електромагнітні коливання. Проте такі коливання швидко затухають і припиняються, тому їх не можна використати для практичних потреб. У техніці треба мати незатухаючі коливання високої частоти. Як же їх добути?

Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні: коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа).

Щоб легше було спостерігати явища, які відбуваються під час одержання електромагнітних коливань в автоколивальних системах, можна вибрати такі параметри коливального контуру, щоб коливання були досить повільними. Це дасть змогу спостерігати за змінами напруги на обкладках конденсатора за допомогою вольтметра (мал.3.16).

Увімкнемо за допомогою вимикача (кнопки Кн) джерело живлення. Вольтметр покаже напругу на обкладках конденсатора. Вимкнемо джерело (відпустимо кнопку): вольтметр покаже наявність затухаючих коливань У коливальному контурі. Тепер періодично вмикатимемо джерело живлення, але незатухаючі коливання не виникнуть. Вони з'являться лише тоді, коли ми джерело живлення вмикатимемо в такт із коливаннями, Що відбуваються в контурі.

Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа). Все це входить до складу автоколивальної системи

Коли ж вмикати джерело? Очевидно, це слід робити в ті моменти, коли верхня (на схемі) обкладка конденсатора заряджена позитивно. А якщо вона заряджена негативно, то джерело має бути вимкнене.

Проте в такому пристрої з технічного боку не з'ясоване ще одне питання: здійснення зворотного зв'язку. У розглянутому досліді зворотний зв'язок здійснювали ми самі: спостерігали за змінами напруги на обкладках конденсатора й у відповідні моменти часу вмикали джерело живлення. Проте треба знайти способи автоматичного здійснення зворотного зв'язку.

Складаємо електричне коло за схемою, зображеною на мал. 3.17.

Тут до попереднього добавлено електромагнітне поляризоване реле Р з контактами КР, приєднане до котушки L₁, що має індуктивний зв'язок з котушкою L коливального контура. Коли в коливальному контурі виникають коливання, то в колі «котушка зв'язку L₁ — обмотка реле» виникає індукційний струм. Рухомий контакт реле починає коливатися, замикаючи у відповідні моменти часу провідники, що йдуть від джерела живлення до коливального контура.

У розглянутому випадку контакти реле повинні замикатись лише у ті моменти, коли верхня (на схемі) обкладка конденсатора заряджена позитивно — саме у цей час конденсатор і підзарядиться, поповняться втрати енергії в контурі

Щоб з'ясувати принцип дії генератора, за допомогою кнопки увімкнемо джерело живлення. При цьому конденсатор заряджається і після відпускання кнопки в контурі виникають коливання. Спрацьовує зворотний зв'язок і коливання стають незатухаючими. Проте, навіть коли виконуються всі зазначені вище дії, незатухаючі коливання можуть і не виникнути. Чому?

Це зумовлено, мабуть, тим, що контакти реле замикаються не тоді, коли потрібно. Щоб виправити це, у нашому досліді досить поміняти місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку. Коли під час виконання досліду незатухаючі коливання виникають відразу, то і в цьому разі варто впевнитись, що це не завжди так, помінявши місцями провідники, що йдуть до котушки зворотного зв'язку.

ü Задачі.

ü Самостійно розв’язати задачі:

ü Питання самоконтролю:

1. Поняття автоколивальної системи.

2. Автоколивальна схема.

3. Зворотній зв'язок

4. Диференціальне рівняння коливань у коливальному контурі.

5. Умова самозбудження(генерування) коливань.

6. Схема напівпровідникового генератора електричних коливань. Переваги та недоліки.

Література:

Посібник №1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., випр.] - К.: Техніка, 2006. - 532 с. - Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка

Посібник №2. Кучерук Ї.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За пр. І.М. Кучерука. – [2-е вид., ипр..] — К.: Техніка, 2006. – 452 с. – Т.2: Електрика і магнетизм.

Посібник № 3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., зипр.] -К.: Техніка, 2006. - 518 с. - Т.З: Оптика. Квантова фізика.

Посібник №4. П.П. Чолпан Основи фізики: навч. Посібник: - К. Вища шк., 1995.- 488 с.: іл.

Посібник №5. І.П. Гаркуша, І.Т. Горбачук, В.П. Курінний та ін.; за заг. ред. І.П. Гаркуші./Загальний курс фізики: Зб. Задач./ К.Техніка,2003.-560с.

Л1, том 2, розділ 12, §12.4,с.397
Л5. Розділ 7, §7.5, с. 324

Самостійна робота №29