Исследование автогенератора гармонических колебаний

1. Цель работы

 

Исследование стационарного режима колебаний в транзисторном автогенераторе с трансформаторной обратной связью, а также зависимости амплитуды генерируемых колебаний от коэффициента обратной связи при мягком и жестком режимах самовозбуждения.

2. Основные теоретические положения

 

    Автогенератором (генератором с самовозбуждением) называют устройство, в котором устанавливаются незатухающие электрические колебания без подведения к нему внешнего переменного напряжения. В автогенераторе происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию токов звуковых или высоких частот.

 

 

 

 

      

 

 

                                          

                                       Рис. 12.1

 

Обобщенная эквивалентная схема автогенератора (рис. 12.1) может быть представлена в виде нелинейного резонансного усилителя, линейного четырехполюсника обратной связи и источника питания. На рис. 12.2 изображена принципиальная схема исследуемого автогенератора с трансформаторной обратной связью и с последовательным коллекторным питанием.

Рис. 12.2

     

 

     

Комплексный коэффициент передачи нелинейного резонансного усилителя по первой гармонике

 

                                               ,                       (12.1)

 

где  - комплексная амплитуда напряжения первой гармоники на выходе нелинейного резонансного усилителя;

      - комплексная амплитуда напряжения на входе нелинейного резонансного усилителя;

      - модуль коэффициента передачи нелинейного резонансного усилителя;

       - фазовый сдвиг между напряжениями  и .

Комплексный коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи (коэффициент обратной связи)

 

                                              ,                        (12.2)

 

где  - комплексная амплитуда напряжения на выходе четырехполюсника обратной связи ();

     - модуль коэффициента передачи четырехполюсника обратной связи;

     - фазовый сдвиг между напряжениями  и .

В стационарном режиме автогенератора выполняются условия:

баланса амплитуд

 

                                             ,                                             (12.3)

баланса фаз

                                                   ,                                    (12.4)

где n = 0, 1, 2,...

Для самовозбуждения автогенератора необходимо выполнение условия (12.4) и следующего условия:

 

                                                    .                                    (12.5)

 

Условие (12.4) показывает, что обратная связь должна быть положительной, а условие (12.5) - что величина коэффициента обратной связи должна быть больше критической b_кр.

Прекращение нарастания амплитуды напряжения первой гармоники на выходе нелинейного резонансного усилителя (на выходе автогенератора) и переход к стационарному режиму, удовлетворяющему условию (12.3), определяются нелинейностью вольт-амперной характеристики усилительного элемента.

Свойства автогенератора характеризует зависимость амплитуды напряжения генерируемых колебаний U_к от величины коэффициента обратной связи b.

В зависимости от положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике транзистора получают мягкий или жесткий режим самовозбуждения автогенератора. При мягком режиме самовозбуждения колебания в автогенераторе возникают и исчезают при одном и том же значении коэффициента обратной связи b=b_кр (рис. 12.3), при дальнейшем увеличении b амплитуда напряжения в стационарном режиме плавно нарастает, при уменьшении b - плавно убывает. При b=b_кр амплитуда напряжения близка к нулю.

              

                        Рис. 12.3                    Рис. 12.4

 

При жестком режиме самовозбуждения возникновение стационарных колебаний происходит при b=b_кр не от нулевого значения, как при мягком режиме, а скачком (рис. 12.4). При дальнейшем увеличении b>b_кр амплитуда колебаний плавно изменяется. При уменьшении b исчезновение колебаний происходит не при b=b_кр, как при мягком режиме, а при b=b₀<b_кр не плавно, а скачкообразно. Таким образом, при жестком режиме самовозбуждения колебания возникают и исчезают при различных b.

 

3. Описание лабораторной установки

 

Лабораторная установка состоит из блока питания и функционального блока, передняя панель которого изображена на рис. 12.5.  В функциональном блоке находятся транзисторный LC автогенератор и вспомогательные устройства, позволяющие исследовать работу автогенератора.

При выполнении работы переключатель "Схема" установить в положение 2.

     

                                                     Рис. 12.5

 

Ручка "Смещение U _бо" позволяет изменять напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора. Напряжение смещения измеряется вольтметром базового устройства, имеющим верхний предел шкалы 1 В.

Величина коэффициента обратной связи изменяется за счет перемещения катушки связи L _ос. Расстояние между катушками измеряется по шкале "Связь". С помощью тумблера "Сопротивление R _ш" параллельно колебательному контуру может подключаться шунтирующее сопротивление.

На гнезде Г3 можно измерять напряжение U _к генерируемых колебаний и наблюдать их форму.

 

4. Методика выполнения работы

 

1. Исследовать процесс возникновения колебаний в автогенераторе и параметры колебаний в стационарном режиме. Для этого:

а) установить на макете переключатель "Род работы" в положение "ОС Вкл.", ручкой "Смещение U _бо" - напряжение смещения U _бо=0,8 В, расстояние между катушками l >5 см; подключить к гнездам Г3 Y-вход электронного осциллографа;

б) убедиться, наблюдая с помощью осциллографа, что при сближении катушки обратной связи с контурной, т. е. при увеличении взаимной индуктивности М, колебания возникают только при определенном расстоянии l _кр между катушками, которое соответствует критическому значению коэффициента обратной связи b_кр;

в) зарисовать форму колебаний, возникающих в автогенераторе при l < l _кр;

г) с помощью осциллографа измерить период колебаний, возникающих в автогенераторе, и рассчитать их частоту.

2. Снять зависимость амплитуды напряжения U _к генерируемых колебаний от расстояния между катушками U _к= f (l) при напряжениях смещения U _бо, равных 0,8 и 0,5 В. Для этого:

а) отключить от гнезд Г3 осциллограф и подключить к гнездам Г3 вольтметр, установить ручкой "Смещение U _бо" напряжение смещения U _бо=0,8 В;

б) изменяя расстояние между катушкой обратной связи и контурной катушкой, снять зависимость U _к= f (l). Зависимость снимать два раза, изменяя l от 6 до 0,5 см и от 0,5 до 6 см. С максимально возможной точностью определить l, при которых возникают и исчезают колебания в автогенераторе, и U _к в момент появления колебаний и в момент перед исчезновением колебаний;

в) повторить измерения по п. "б", установив U _бо=0,5 В.

 

 

5. Содержание отчета

 

1. Принципиальная схема исследуемого транзисторного автогенератора.

2. Осциллограмма колебаний, возникающих в автогенераторе, с указанием частоты колебаний.

3. Результаты исследования (в виде таблиц и графиков) зависимостей амплитуды генерируемых колебаний от расстояния между катушками.

4. Выводы и оценка экспериментальных исследований.

 

Литература: [1] с. 356 – 370; [2], с. 323-338