Aké sú funkcie jednotlivých častí tranzistorového generátora. T. Vlastné oscilácie. Hodiny ako samooscilačný systém

Rádioamatéri potrebujú prijímať rôzne rádiové signály. To si vyžaduje prítomnosť LF a HF generátora. Tento typ zariadenia sa často nazýva tranzistorový generátor pre jeho konštrukčnú vlastnosť.

Ďalšie informácie. Prúdový generátor je samooscilačné zariadenie vytvorené a používané na objavenie sa elektrickej energie v sieti alebo na premenu jedného typu energie na iný s danou účinnosťou.

Samooscilačné tranzistorové zariadenia

Tranzistorový generátor je rozdelený do niekoľkých typov:

• frekvenčným rozsahom výstupného signálu;
• podľa typu vydaného signálu;
• podľa akčného algoritmu.

Frekvenčný rozsah je zvyčajne rozdelený do nasledujúcich skupín:

• 30 Hz-300 kHz - nízky rozsah, indikovaný nízkymi frekvenciami;
• 300 kHz-3 MHz - stredný rozsah, označený stredom;
• 3-300 MHz - vysoký rozsah, indikovaný HF;
• viac ako 300 MHz - ultravysoký rozsah, indikovaný mikrovlnnou rúrou.

Rádioamatéri si takto rozdeľujú dosahy. Pre audio frekvencie sa používa medzera 16 Hz-22 kHz a tiež sa delí na nízke, stredné a vysoké skupiny. Tieto frekvencie sa nachádzajú v každom prijímači zvuku v domácnosti.

Nasledujúce rozdelenie je založené na type výstupu signálu:

• sínusový - na výstupe je sínusový signál;
• funkčné - na výstupe majú signály špeciálne špecifikovaný tvar, napríklad obdĺžnikový alebo trojuholníkový;
• generátor šumu - na výstupe je pozorovaný jednotný frekvenčný rozsah; rozsahy sa môžu líšiť v závislosti od potrieb spotrebiteľa.

Tranzistorové zosilňovače sa líšia v algoritme činnosti:

• RC - hlavná oblasť použitia - nízky rozsah a zvukové frekvencie;
• LC - hlavná oblasť použitia - vysoké frekvencie;
• Blokovací generátor - Používa sa na vytváranie impulzných signálov s vysokým pracovným cyklom.

Obrázok na elektrických schémach

Najprv sa pozrime na získanie sínusového typu signálu. Najznámejším tranzistorovým generátorom tohto typu je Colpitzov oscilátor. Jedná sa o hlavný oscilátor s jednou indukčnosťou a dvoma kondenzátormi zapojenými do série. Pomocou neho sa generujú požadované frekvencie. Zvyšné prvky poskytujú požadovaný režim činnosti tranzistora pri konštantnom prúde.

Ďalšie informácie. Edwin Henry Kolpitz bol začiatkom minulého storočia vedúcim inovácií vo Western Electric. Bol priekopníkom vo vývoji zosilňovačov signálu. Prvýkrát vyrobený rádiotelefón, ktorý umožňuje hovoriť cez Atlantik.

Všeobecne známy je aj Hartley master oscilátor. Rovnako ako Kolpitzov obvod je pomerne jednoduchý na zostavenie, je však potrebná indukčnosť s odbočkou. V Hartleyho obvode jeden kondenzátor a dve induktory zapojené do série vytvárajú osciláciu. V obvode je tiež dodatočná kapacita na získanie pozitívnej spätnej väzby.

Hlavnou oblasťou použitia vyššie uvedených zariadení sú stredné a vysoké frekvencie. Používajú sa na získanie nosných frekvencií, ako aj na generovanie elektrických oscilácií s nízkym výkonom. Domáce rozhlasové prijímače využívajú aj oscilátory.

Všetky tieto oblasti použitia netolerujú nestabilný príjem. Na tento účel sa do obvodu zavedie ďalší prvok - samooscilačný kremenný rezonátor. V tomto prípade sa presnosť vysokofrekvenčného generátora stáva prakticky referenčnou. Dosahuje milióntiny percenta. V prijímacích zariadeniach rádiových prijímačov sa na stabilizáciu príjmu používa výlučne kremeň.

Pokiaľ ide o nízkofrekvenčné a zvukové generátory, je tu veľmi vážny problém. Na zvýšenie presnosti ladenia je potrebné zvýšiť indukčnosť. Ale zvýšenie indukčnosti vedie k zvýšeniu veľkosti cievky, čo výrazne ovplyvňuje rozmery prijímača. Preto bola vyvinutá alternatívna schéma generátora Colpitz - nízkofrekvenčný generátor Pierce. Nie je v ňom žiadna indukčnosť a namiesto neho je použitý samooscilačný kremenný rezonátor. Okrem toho kremenný rezonátor umožňuje odrezanie hornej hranice vibrácií.

V takomto obvode kapacita nedovoľuje, aby konštantná zložka predpätia bázy tranzistora dosiahla rezonátor. Tu je možné generovať signály do 20-25 MHz vrátane zvukových signálov.

Výkon všetkých uvažovaných zariadení závisí od rezonančných vlastností systému pozostávajúceho z kondenzátorov a induktorov. Z toho vyplýva, že frekvencia bude určená výrobnými charakteristikami kondenzátorov a cievok.

Dôležité! Tranzistor je prvok vyrobený z polovodiča. Má tri výstupy a je schopný ovládať veľký výstupný prúd z malého privádzaného vstupného signálu. Sila živlov je iná. Používa sa na zosilnenie a spínanie elektrických signálov.

Ďalšie informácie. Prezentácia prvého tranzistora sa uskutočnila v roku 1947. Jeho derivát, tranzistor s efektom poľa, sa objavil v roku 1953. V roku 1956. Nobelova cena za fyziku bola udelená za vynález bipolárneho tranzistora. V 80. rokoch minulého storočia boli vákuové elektrónky úplne nahradené rádiovou elektronikou.

Funkčný tranzistorový generátor

Funkčné oscilátory na báze samooscilačných tranzistorov sú vynájdené na výrobu metodicky sa opakujúcich signálových impulzov daného tvaru. Ich tvar je daný funkciou (v dôsledku toho sa objavil názov celej skupiny takýchto generátorov).

Existujú tri hlavné typy impulzov:

• obdĺžnikový;
• trojuholníkový;
• pílový zub.

Ako príklad najjednoduchšieho nízkofrekvenčného výrobcu štvorcových signálov sa často uvádza multivibrátor. Má najjednoduchší diagram na zostavenie vlastnými rukami. Inžinieri rádioelektroniky často začínajú s jeho implementáciou. Hlavnou črtou je absencia prísnych požiadaviek na hodnotenie a tvar tranzistorov. Je to spôsobené tým, že pracovný cyklus v multivibrátore je určený kapacitami a odpormi v elektrickom obvode tranzistorov. Frekvencia na multivibrátore je v rozsahu od 1 Hz do niekoľkých desiatok kHz. Nie je možné tu organizovať vysokofrekvenčné vibrácie.

Pílové a trojuholníkové signály sa získajú pridaním ďalšieho reťazca do typického obvodu s pravouhlými impulzmi na výstupe. V závislosti od charakteristík tejto prídavnej reťaze sa pravouhlé impulzy konvertujú na trojuholníkové alebo pílovité impulzy.

Blokovací generátor

V podstate ide o zosilňovač zostavený na báze tranzistorov umiestnených v jednom stupni. Oblasť použitia je úzka - zdroj pôsobivých, ale v čase prechodných (trvanie od tisícin do niekoľkých desiatok mikrosekúnd) impulzných signálov s veľkou indukčnou kladnou spätnou väzbou. Pracovný cyklus je viac ako 10 a môže dosiahnuť niekoľko desiatok tisíc v relatívnom vyjadrení. Je tu vážna ostrosť predných plôch, ktoré sa svojou formou prakticky nelíšia od geometricky pravidelných obdĺžnikov. Používajú sa v obrazovkách zariadení s elektrónovým lúčom (kinoskop, osciloskop).

Generátory tranzistorových impulzov s efektom poľa

Hlavný rozdiel medzi tranzistormi s efektom poľa je v tom, že vstupný odpor je úmerný odporu elektronických elektrónok. Obvody Colpitz a Hartley môžu byť tiež zostavené na tranzistoroch s efektom poľa, musia sa vybrať iba cievky a kondenzátory s príslušnými technickými charakteristikami. V opačnom prípade generátory na tranzistoroch s efektom poľa nebudú fungovať.

Frekvenčné reťazce sa riadia rovnakými zákonmi. Na výrobu vysokofrekvenčných impulzov je vhodnejšie konvenčné zariadenie zostavené pomocou tranzistorov s efektom poľa. FET neznižuje indukčnosť v obvodoch, takže generátory RF signálu sú stabilnejšie.

Regenerátory

LC obvod na generátore je možné nahradiť pridaním aktívneho a negatívneho odporu. Toto je regeneračný spôsob, ako získať zosilňovač. Tento obvod má pozitívnu spätnú väzbu. Vďaka tomu sú straty v oscilačnom obvode kompenzované. Opísaný obvod sa nazýva regenerovaný.

Generátor hluku

Hlavným rozdielom je rovnomerná odozva LF a HF frekvencií v požadovanom rozsahu. To znamená, že amplitúdové charakteristiky všetkých frekvencií v tomto rozsahu sa nebudú líšiť. Používajú sa najmä v meracej technike a vo vojenskom priemysle (najmä v lietadlách - a raketovej). Okrem toho sa používa na vnímanie zvuku ľudským uchom – takzvaný „sivý“ šum.

Jednoduchý zvukový generátor typu „urob si sám“.

Uvažujme o najjednoduchšom príklade - vrešťan. Potrebné sú len štyri prvky: filmový kondenzátor, 2 bipolárne tranzistory a ladiaci odpor. Záťaž bude elektromagnetický žiarič. Na napájanie zariadenia stačí obyčajná 9V batéria. Činnosť obvodu je jednoduchá: rezistor nastavuje posun na základňu tranzistora. Spätná väzba prebieha cez kondenzátor. Ladiaci odpor mení frekvenciu. Zaťaženie musí mať vysoký odpor.

So všetkou rozmanitosťou typov, veľkostí a foriem prevedenia uvažovaných prvkov ešte neboli vynájdené výkonné tranzistory pre ultravysoké frekvencie. Preto sa oscilátory na báze samooscilačných tranzistorov používajú hlavne pre nízko a vysokofrekvenčné rozsahy.

Video

Téma lekcie : "Generátor na tranzistore. Vlastné oscilácie"

Plán je zhrnutím hodiny fyziky, ktorú pripravila Elena V. Myzniková, učiteľka fyziky na gymnáziu MBOU č. 64, ročník 11.

Typ lekcie: Lekcia v prezentovaní nového materiálu.

Ciele lekcie :

Vzdelávacie:

Vytvorte koncept vlastných oscilácií, zvážte princíp činnosti generátora kontinuálnych oscilácií na tranzistore.

Pokračovať vo formovaní vedomostí o fyzikálnych základoch získavania striedavého prúdu.

vyvíja sa:

Rozvíjať praktické zručnosti študentov: schopnosť analyzovať, zovšeobecňovať, vyzdvihnúť hlavnú myšlienku z príbehu učiteľa a vyvodiť závery.

Rozvíjať schopnosť aplikovať získané poznatky v nových podmienkach.

Vzdelávanie:

Rozšíriť svetonázor študentov o histórii výskumu problematiky vynútených oscilácií, prínos vedcov k formovaniu teórie vlastných oscilácií.

Precvičiť zručnosti výchovno-vzdelávacej práce na vedení prehľadu učiva.

Vybavenie : počítač, žiacke pracovné listy, test.

demonštrácie : prezentácia na danú tému,cievkaaindukčnosť (120 V) z univerzálneho transformátora a kondenzátorovej banky Bk-58, 4,5V batéria, súprava univerzálneho transformátora, elektronický osciloskop OESh.

Štruktúra lekcie:

1. Organizačný moment, aktualizácia vedomostí potrebných na asimiláciu nového materiálu

2. Komunikácia témy a účelu vyučovacej hodiny, motivácia výchovno-vzdelávacej činnosti (prostredníctvom vytvorenia problémovej situácie a identifikácie osobnej skúsenosti žiakov k téme vyučovacej hodiny)

3. Štúdium nového materiálu, demonštračný pokus.

4. Kontrola porozumenia študentom preberanej látky a jej primárne upevnenie.

5. Domáca úloha na zamyslenie.

Plán - zhrnutie:

Štruktúra lekcie,

etapový čas

Študenti odpovedajú na otázky.1. Polovodiče - široká trieda látok charakterizovaných hodnotamimerná elektrická vodivosť ležiaca v rozmedzí medzi merelektrická vodivosť kovov a dobré dielektriká2. Tranzistor - zosilňovač elektrických kmitov 3. Pozostáva z troch oblastí, z ktorých krajná má dierovú vodivosť a stredná - elektronická: emitor, kolektor, báza.

4. Báza - elektróny, kolektor a emitor-diery. 5.Jedna z oblastí triódy, napríklad ľavá, zvyčajne obsahuje stokrát viac nečistôt typu p, ako je množstvo n-nečistôt v oblasti n. Preto bude jednosmerný prúd cez pn prechod pozostávať takmer výlučne z otvorov pohybujúcich sa zľava doprava. Akonáhle sú v n-oblasti triódy, diery podliehajúce tepelnému pohybu difundujú smerom k n-p prechodu, ale čiastočne majú čas na rekombináciu s voľnými elektrónmi.tróny n-kraja. Ale ak n-vKeďže pole je úzke a nie je v ňom príliš veľa voľných elektrónov, väčšina dier sa dostane k druhému prechodu a po jeho vstupe sa presunie o svoje pole do pravej p-oblasti.

Voľné elektromagnetické oscilácie v reálnom oscilačnom obvode sú vždy tlmené. Dnes v lekcii musíme vyriešiť problém: musíme vytvoriť zariadenie, pomocou ktorého by sa kompenzovali straty energie pri každom plnom kmitaní v obvode tak, aby neboli tlmené. Ako to môžem spraviť? Na základe svojich vedomostí navrhnite spôsoby, ako tento problém vyriešiť. Trvá to 2 minúty. Pracovať v pároch. Učiteľ opravuje a kontroluje výsledky.(Po dokončení úlohy učiteľ zhrnie navrhované výsledky, diskutuje a komentuje každú možnosť)

Záver: Môžete použiť vlastné oscilácie. Formuluje sa téma a účel hodiny (pre žiakov).

V predvečer prvej svetovej vojny z vedeckého hľadiska Rusko výrazne zaostávalo za vyspelými kapitalistickými krajinami. Najmä v Rusku neexistoval priemysel rádiového inžinierstva. Všetky rádiokomunikačné zariadenia museli byť dovezené zo zahraničia a po revolúcii bol tento zdroj prakticky uzavretý. Za týchto podmienok sovietski vedci Krylov, Mandelstam, Papaleksi, Andronov vykonali taký hlboký výskum problémov nútených oscilácií, že boli ďaleko pred svojimi západnými kolegami, takže svetové vedecké centrum pre tieto problémy sa presunulo do ZSSR.

Takzvanýsamooscilácie - trvalé vibrácie podporované v systémetrvalé externý zdroj energie a systém ho sám riadi, čím zabezpečuje konzistentnosť dodávky energie v určitých častiach v správnom čase.Frekvencia a amplitúda vlastných oscilácií sú určené vlastnosťami samotného systému a nezávisia od vonkajších vplyvov. Napríklad, pod oceľovým závažím visiacim na pružine je umiestnený elektromagnet. Ak sa prúd striedavo zapína a vypína, závažie začne vykonávať nútené oscilácie. Pokúste sa vysvetliť, čo bude nasledovať.

Ďalej to môžete urobiť tak, že závažie, oscilujúce nahor a nadol, samo zatvára a otvára okruh. Stredný drôt je upnutý špendlíkom tak, aby sa dotýkal závažia, kým je hore. Prúd prechádzajúci pružinou, závažím, stredným drôtom a cievkou magnetizuje jej jadro. Závažie je vyrobené z ocele, takže je priťahované k jadru, to znamená, že sa pohybuje smerom nadol. Čoskoro sa odpojí od stredného vodiča, prúd sa zastaví a magnetické pole zmizne. Pôsobením pružiny sa závažie zdvihne a opäť uzavrie reťaz.

Tak dôjde k samooscilácii.

Tu je niekoľko príkladov samooscilácií:

netlmené kmity hodinového kyvadla v dôsledku neustáleho pôsobenia gravitácie závažia vinutia; vibrácie husľovej struny pod vplyvom rovnomerne sa pohybujúceho sláčika; oscilácia vzduchového stĺpca v organovej píšťale s rovnomerným prívodom vzduchu do nej; rotačné vibrácie mosadzného hodinového prevodu s oceľovou osou zavesenou na magnete a skrútenou Hlasy ľudí, zvierat a vtákov sa vytvárajú v dôsledku vlastných oscilácií, ku ktorým dochádza pri prechode vzduchu cez hlasivky.

Otázky pre študentov:

Pamätajte na spoločné znaky takýchto oscilačných systémov, ako sú pružinové a závitové kyvadla, oscilačný obvod.

Príkladom mechanického samooscilačného systému sú kyvadlové hodiny, ktorých model je zobrazený na sklíčku. V roku 1657 holandský fyzik Christian Huygens navrhol použiť izochronizmus kyvadla na vytvorenie rovnomerného pohybu ručičky na hodinách. Zariadenie, ktoré navrhol Huygens, vo svojich hlavných črtách prežilo dodnes: kyvadlo, zdvihnuté bremeno, kotva a pojazdové koleso. Upozorňujem študentov na skutočnosť, že kyvadlo sa v podstate pohybuje voľne a počas periódy dostane dva otrasy. Kmity vznikajú a sú podporované samotným oscilačným systémom, to znamená, že sú to vlastné oscilácie.

Môžu v nich vznikať voľné kmity, tieto kmity sú vždy tlmené, v idealizovaných sústavách sú netlmiace, harmonické. V tomto prípade je ich frekvencia určená vlastnosťami samotného systému a amplitúda závisí od počiatočných podmienok.

Študenti sú vyzvaní, aby sami určili, aké oscilácie tu prebiehajú, aby vymenovali hlavné časti tohto oscilačného systému: kyvadlo (oscilačný systém), zvýšené závažie (zdroj energie), rohatkové koleso s kotvovou vidlicou (ventil ktorý reguluje tok energie zo zdroja do systému).

Vysvetlenie princípu činnosti generátora na tranzistore. V momente pripojenia jednosmerného zdroja preteká kolektorovým obvodom tranzistora prúd, ktorý nabíja kondenzátor oscilačného obvodu. V obvode sa objavia voľné elektromagnetické oscilácie. Keďže cievka oscilačného obvodu je indukčne prepojená so spätnoväzbovou cievkou, jej meniace sa magnetické pole spôsobí premenlivé EMF v spätnoväzbovej cievke rovnakej frekvencie ako oscilácie v obvode. Toto EMF, keď sa aplikuje na sekciu báza-emitor, spôsobí zvlnenie prúdu v kolektorovom obvode. Pretože frekvencia týchto pulzácií je rovná frekvencii elektromagnetických oscilácií v obvode, dobíjajú kondenzátor obvodu a tým udržiavajú konštantnú amplitúdu oscilácií v obvode.

Ukážte oscilačný obvod pozostávajúci z tlmivky (120 V) z univerzálneho transformátora a kondenzátorovej banky Bk-58. Ako zdroj energie slúži batéria s napätím 4,5 V, úlohu „ventilu“ plní tranzistor a ako spätná väzba cievka z univerzálneho transformátora (12 V), ktorej konce sú pripojené na báza a emitor tranzistora. Oscilačný obvod je súčasťou kolektorového obvodu. Cievka slučky a cievka spätnej väzby sú umiestnené na spoločnom magnetickom obvode z rovnakej sady univerzálneho transformátora. Napätie z obvodu sa privádza do elektronického osciloskopu OESh.

Zmeňte elektrickú kapacitu batérie a sledujte zmenu frekvencie kmitov generátora. Zmena indukčnosti cievky (napríklad jej pomalé zdvíhanie pozdĺž magnetického obvodu) pozoruje rovnaký účinok.

Amplitúda vibrácií závisí aj od samotného systému. Túto závislosť môžete preukázať zapojením premenlivého odporu do série v obvode obvodu: amplitúda oscilácie generátora sa zníži.

Vysvetlite, že pri zatvorenom kľúči prechádza tranzistorom prúdový impulz zo zdroja energie, ktorý nabíja obvodový kondenzátor. Pri vybití kondenzátora sa v obvode objavia voľné tlmené kmity.

Úlohu spätnoväzbovej cievky ilustruje skúsenosť: zámenou vodičov smerujúcich k spätnej cievke sa presvedčia, že v obvode generátora nie sú žiadne oscilácie. Obnovením starého obvodu môžete vidieť, že generátor opäť funguje. Vyvodzuje sa záver: pulzujúci prúd v obvode kolektora zvyšuje alebo znižuje prúd v obvode v závislosti od toho, v ktorých momentoch sa tranzistor otvára (a tranzistor sa otvára a zatvára premenným EMF, ktorý je indukovaný v cievke spätnej väzby). V súlade s tým sa pulzácie kolektorového prúdu buď zhodujú so zmenou prúdu v obvode (a tým ho zosilňujú), alebo sa ukážu ako opačné (a oslabujú (zhasínajú) prúd v tomto obvode). Preto je generovanie kmitov možné len pri určitom zapojení spätnoväzbovej cievky.

Pri zdvíhaní spätnoväzbovej cievky pozdĺž magnetického obvodu pozorujte pokles amplitúdy kmitov na oscilograme. Vysvetľuje to skutočnosť, že spojenie cievky s obvodom sa stáva slabším a tým sa znižuje EMF indukovaný v ňom. Ak sa spojenie ešte viac zoslabne, oscilácie v obvode sa stlmia, pretože so slabou spätnou väzbou sa energia vstupujúca do obvodu počas periódy ukáže byť menšia ako energetické straty v obvode.

Identifikujú sa prvky inštalácie a objasní sa ich úloha pri prevádzke generátora.

Dospeli k záveru, že frekvencia oscilácií generátora závisí od parametrov samotného oscilačného systému.

Vyzvite študentov, aby pochopili premeny energie v demonštrovanom samokmitajúcom systéme: aby oscilácie v obvode boli nepretržité, musí sa k nemu pravidelne pripájať zdroj napätia, ktorý kompenzuje straty energie v tomto obvode. Toto je dosiahnuté skutočnosťou, že obvod je indukčne spojený so sekciou "emitor-base" cez spätnoväzbovú cievku

Štúdium témy ukončíme úvahou o použití samooscilačných systémov.Príklady samooscilácií v prírode a technike

Prúdenie vzduchu, ktorého rýchlosť je väčšia ako určitá kritická hodnota, spôsobuje oscilácie - grganie vlajky vo vetre vibrácie listov rastlín pod vplyvom rovnomerného prúdenia vzduchu; tvorba turbulentných tokov na trhlinách a perejách riek; hlasy ľudí, zvierat a vtákov sa vytvárajú v dôsledku vlastných oscilácií, ku ktorým dochádza pri prechode vzduchu cez hlasivky; pôsobenie pravidelných gejzírov a pod. Princíp činnosti veľkého množstva rôznych technických zariadení a zariadení je založený na vlastných osciláciách vrátane: práca so všetkými druhmi hodín, mechanických aj elektrických; zvuk všetkých dychových a sláčikových hudobných nástrojov; pôsobenie všetkých druhov generátorov elektrických a elektromagnetických kmitov používaných v elektrotechnike, rádiotechnike a elektronike; prevádzka piestových parných strojov a spaľovacích motorov niektoré automatické riadiace systémy pracujú v samokmitajúcom režime, keď regulovaná hodnota kolíše v blízkosti požadovanej hodnoty, potom ju prekročí, potom klesne pod ňu, v rozsahu prijateľnom pre účely regulácie (napríklad systém tepelnej regulácie napr. chladnička pre domácnosť).

takze1. Čo je to samooscilačný systém? 2. Aký je rozdiel medzi vlastnou osciláciou a vynútenou a voľnou osciláciou? 3. Aká je úloha tranzistora pri vytváraní vlastných kmitov?
4. Ako prebieha spätná väzba v tranzistorovom generátore?
5. Uveďte hlavné prvky samooscilačného systému.
6. Uveďte príklady samooscilačných systémov, ktoré nie sú zahrnuté v lekcii.

Vykonanie overovacieho testu

Ktoré z uvedených kmitov sú samooscilácie? 1. Kmity kyvadla v hodinách. 2. Vibrácie bremenanajar. 3. Tlkot srdca. 4. Oscilácie vo vysokofrekvenčnom generátore. 5. Vibrácie gitarovej struny.

A. Iba 1; 4. B. Iba 1; 3; 4. B. Iba 1; 4.

Na obrázkoch 1 a 2 sú elektrické schémy.V ktorýod dajú sa pozorovať vlastné oscilácie?

A. Obrázok 1. B. Obrázok 2. C. V navrhovaných schémach nie je možné vykonať samoosciláciu.

A. Len z kapacity kondenzátora. B. Z napätia batérie, kapacity kondenzátora a indukčnosti cievky. B. Len z kapacity kondenzátora a indukčnosti cievky.

Aký je účel komunikačnej cievky?

A. Vytvára spätnú väzbu medzi oscilačným obvodom a zdrojom prúdu. B. Vytvára spätnú väzbu medzi tranzistorom a zdrojom prúdu. B. Vytvára spätnú väzbu medzi oscilačným obvodom a tranzistorom.

Aký je účel tranzistora vo vysokofrekvenčnom generátore?

A. Nastavuje frekvenciu v oscilačnom obvode. B. Reguluje tok energie zo zdroja prúdu v oscilačnom obvode. B. Vytvára energiu.

Ktorý záznam správne charakterizuje pomer prúdu v tranzistore?

A. ja NS = ja B + ja TO ... B. ja NS = ja TO - ja B ... V. ja B - ja Komu + ja NS .

Aký potenciál vzhľadom na emitor by mal byť na báze, aby energia prúdila zo zdroja napätia do oscilačného obvodu? (Na doske kondenzátora pripojenej ku kolektoru je kladný náboj.)

A. Negatívne. B. Pozitívne. B. Dodávka energie je nezávislá od potenciálu v základni.

Jeden koniec spätnej cievky je pripojený k základni, druhý k:

A. Zberateľ. B. Cievka oscilačného obvodu. V. Emitor .

Amplitúda oscilácií v ustálenom stave:

A. Závisí len od počiatočných podmienok. B. Nezávisí od parametrov samooscilačného systému. B. Nezávisí od počiatočných podmienok a je určená parametrami samooscilačného systému.

A. 4. B. 1. C. 2. G. 3.

Toto uzatvára štúdium mechanických a elektrických vibrácií. Pozoruhodná je identita všeobecnej povahy procesov rôznej povahy, identita matematických rovníc, ktoré ich opisujú. Táto identita, ako sme videli, značne uľahčuje štúdium oscilácií.Zoznámili sme sa s najzložitejším typom kmitov – samokmitmi. V samooscilujúcich systémoch sa generujú samoudržiavacie oscilácie rôznych frekvencií. Bez takýchto systémov by neexistovala moderná rádiová komunikácia, televízia, počítače.Na vytvorenie nového je potrebné preštudovať vlastnosti existujúceho materiálu. Len zvedavosť a aktívne hľadanie posúvajú vedu vpred. Choďte do toho, tvorte, fantazírujte!Domáca úloha: "A" - zhrnutie lekcie"B" -spekt, § 36,

"C" - kompendium, § 36, č. 971, 979 (Rymkevich)

Tranzistorový generátor je automatický generátor elektromagnetických kmitov.

Samooscilujúce elektromagnetické systémy sú podľa zákonov, ktoré ich popisujú, podobné mechanickým samokmitajúcim systémom. Samooscilačný systém sa chápe ako systém, v ktorom pri absencii vonkajšieho periodického pôsobenia vznikajú periodické oscilácie a existujú ľubovoľne dlhý čas.

Je racionálne začať študovať tému opakovaním mechanických samooscilačných systémov, pretože fyzikálne základy mechanických a elektromagnetických samokmitov sú rovnaké.

Príkladom mechanického samooscilačného systému sú kyvadlové hodiny, ktorých model je znázornený na obrázku 1a. V roku 1657 holandský fyzik Christian Huygens navrhol použiť izochronizmus kyvadla na vytvorenie rovnomerného pohybu ručičky na hodinách. Zariadenie, ktoré navrhol Huygens, vo svojich hlavných črtách prežilo dodnes: kyvadlo, zdvihnuté bremeno, kotva a pojazdové koleso (obrázok 1b). Upozorňujem študentov na skutočnosť, že kyvadlo sa v podstate pohybuje voľne a počas periódy dostane dva otrasy. Kmity vznikajú a sú podporované samotným oscilačným systémom, to znamená, že sú to samokmitania.

Obrázok 1

Pri analýze fungovania tohto mechanizmu zdôrazňujeme hlavné prvky charakteristické pre mnohé samooscilačné systémy a kombinujeme ich do blokovej schémy (obrázok 2)

Obrázok 2

Analogickou metódou prechádzame od mechanickej samokmitnej sústavy k elektromagnetickej samooscilačnej sústave. Analyzujeme, čo môže byť použité ako zdroj energie, ventil, oscilačný systém v elektrickom obvode a ako môže byť realizovaná spätná väzba medzi ventilom a oscilačným systémom. Súčasne vyplňte tabuľku 1 na tabuli a do zošitov.

Stôl 1.

	Prvky samooscilačného systému	Mechanický samooscilačný systém (kyvadlové hodiny)	Elektromagnetické samooscilačný systém (tranzistorový generátor)
	Zdroj energie	zdvihnuté bremeno	batéria galvanických článkov
			tranzistor
	oscilačný systém		oscilačný obvod
	Spätná väzba	cez pojazdové koleso	indukčné - cez cievky

Pripomíname si označenia jednotlivých častí autogenerátora (obrázok 3 a) a nakreslíme jeho schému (obrázok 3 b)

Obrázok 3

Pomocou tohto diagramu vysvetľujeme princíp činnosti generátora na tranzistore, pričom ešte raz zdôrazníme, že ide o samooscilačný systém. V momente pripojenia jednosmerného zdroja preteká kolektorovým obvodom tranzistora prúd, ktorý nabíja kondenzátor oscilačného obvodu. V obvode sa objavia voľné elektromagnetické oscilácie. Keďže cievka oscilačného obvodu je indukčne prepojená so spätnoväzbovou cievkou, jej meniace sa magnetické pole spôsobí premenlivé EMF v spätnoväzbovej cievke rovnakej frekvencie ako oscilácie v obvode. Toto EMF, keď sa aplikuje na sekciu báza-emitor, spôsobí zvlnenie prúdu v kolektorovom obvode. Pretože frekvencia týchto pulzácií je rovná frekvencii elektromagnetických oscilácií v obvode, dobíjajú kondenzátor obvodu a tým udržiavajú konštantnú amplitúdu oscilácií v obvode.

Po zostavení inštalácie znázornenej na obrázku 4b je možné preukázať, že v oscilátore bez vonkajšieho vplyvu vznikli elektromagnetické oscilácie sínusového tvaru. V autogenerátore sa teda energia zdroja jednosmerného prúdu premieňa na energiu elektromagnetických kmitov.

Keďže v obvode sú voľné kmity, obvod pre ne predstavuje iba aktívny odpor, a preto napätie v sekcii emitor-kolektor a v sekcii báza-emitor musí byť posunuté o 180°. Aby sme to študentom demonštrovali, je potrebné vymeniť pozície vodičov, ktoré sa hodia k spätnoväzbovej cievke. V tomto prípade sa oscilácie v generátore nevyskytnú.

Druhá podmienka pre prevádzku generátora je nasledovná: Energia vstupujúca do okruhu z kolektorového okruhu musí plne nahradiť nevratné premeny energie v ňom. Táto podmienka je zabezpečená spätnou väzbou. Aby ste o tom študentov presvedčili, zdvihnite a pomaly odstráňte spätnú cievku zo slučkovej cievky. Na obrazovke osciloskopu môžete vidieť, ako sa amplitúda kmitov v obvode postupne zmenšuje a nakoniec kmity zmiznú.

Obrázok 4

Na základe vykonaných experimentov sformulujeme záver, že spätná väzba v generátore vlastných kmitov musí spĺňať dve podmienky:

a) energia zo zdroja musí prísť v čase s osciláciami v obvode;

b) energia dodaná zo zdroja sa musí rovnať jej stratám v okruhu.

Štúdium témy zakončíme zvážením aplikácie elektromagnetických samooscilačných systémov

Metóda analógií pri štúdiu tejto témy umožňuje nielen lepšie pochopiť podstatu problematiky, ale aj zdôrazniť jednotu fyzikálnych zákonov mechanických a elektromagnetických kmitov.

Voľné elektromagnetické oscilácie v reálnom oscilačnom obvode sú vždy tlmené. Aby boli netlmiace, je potrebné vytvoriť zariadenie, pomocou ktorého by sa vyrovnávali straty energie pri každom úplnom kmitaní v obvode. Takzvaný samooscilácie- trvalé vibrácie podporované v systéme trvalé externý zdroj energie a systém ho sám riadi, čím zabezpečuje konzistentnosť dodávky energie v určitých častiach v správnom čase.

Každý samooscilačný systém pozostáva z nasledujúcich štyroch častí (obr. 1): 1) oscilačného systému; 2) zdroj energie, vďaka ktorému sa kompenzujú straty; 3) ventil - nejaký prvok, ktorý reguluje tok energie do oscilačného systému v určitých častiach v správnom čase; 4) spätná väzba - riadenie činnosti ventilu v dôsledku procesov v samotnom oscilačnom systéme.

Tranzistorový generátor je príkladom samooscilačného systému. Obrázok 2 zobrazuje zjednodušenú schému takéhoto generátora, v ktorom tranzistor zohráva úlohu "ventilu". Oscilačný obvod je pripojený k zdroju prúdu v sérii s tranzistorom. Emitorový prechod tranzistora cez cievku L sv je indukčne viazaný na oscilačný obvod. Táto cievka sa nazýva spätnoväzbová cievka.

Pri uzavretom obvode prechádza tranzistorom prúdový impulz, ktorý nabíja kondenzátor C oscilačného obvodu, v dôsledku čoho v obvode vznikajú voľné elektromagnetické kmity s malou amplitúdou. Prúd pretekajúci slučkovou cievkou L, indukuje striedavé napätie na koncoch spätnoväzbovej cievky. Pod vplyvom tohto napätia sa elektrické pole emitorového prechodu periodicky zvyšuje a znižuje a tranzistor sa otvára a zatvára. Počas týchto intervalov, keď je tranzistor otvorený, ním prechádzajú prúdové impulzy. Ak cievka L sv je správne pripojený (kladná spätná väzba), potom sa frekvencia prúdových impulzov zhoduje s frekvenciou kmitov, ktoré vznikli v obvode, a prúdové impulzy vstupujú do obvodu v tých okamihoch, keď je kondenzátor nabitý (keď je horná doska kondenzátor je kladne nabitý). Prúdové impulzy prechádzajúce cez tranzistor preto dobíjajú kondenzátor a dopĺňajú energiu obvodu a oscilácie v obvode netlmia.

Ak s pozitívnou spätnou väzbou pomaly zväčšujte vzdialenosť medzi cievkami L sv a L, potom pomocou osciloskopu zistíte, že amplitúda vlastných kmitov klesá a vlastné kmity sa môžu zastaviť. To znamená, že pri slabej spätnej väzbe je energia vstupujúca do obvodu menšia ako energia, ktorá sa nevratne premení na vnútornú energiu. Spätná väzba by teda mala byť taká, že: 1) napätie na prechode emitora sa mení vo fáze s napätím na kondenzátore obvodu - to je fázová podmienka pre samobudenie generátora; 2) spätná väzba by zabezpečila, že do obvodu sa dodá toľko energie, koľko je potrebné na kompenzáciu energetických strát v obvode - to je amplitúdová podmienka pre samobudenie.

Frekvencia vlastného kmitania sa rovná frekvencii voľných kmitov v obvode a závisí od jeho parametrov.

Znížením L a S, môžete získať vysokofrekvenčné spojité oscilácie používané v rádiotechnike.

Amplitúda ustálených vlastných kmitov, ako ukazuje skúsenosť, nezávisí od počiatočných podmienok a je určená parametrami samooscilačného systému - napätím zdroja, vzdialenosťou medzi L sv a L, slučkový odpor.

Literatúra

Aksenovič L.A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie zabezpečujúce príjem obs. prostredia, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsya i vyhavanne, 2004. - S. 394-395.

« Fyzika - ročník 11"

Vynútené oscilácie sú spôsobené striedavým napätím generovaným generátormi v elektrárňach.
Takéto generátory nedokážu produkovať vysokofrekvenčné vibrácie potrebné pre rádiovú komunikáciu? odkedy to by vyžadovalo veľmi vysokú rýchlosť rotora.
Vysokofrekvenčné oscilácie sa získavajú napríklad pomocou tranzistorového generátora.

Samooscilačné systémy

Zvyčajne sú v obvode udržiavané nepretržité nútené oscilácie pôsobením externého periodického napätia.
Ale sú možné aj iné spôsoby získania spojitých oscilácií.

Napríklad existuje systém, v ktorom môžu existovať voľné elektromagnetické oscilácie so zdrojom energie.
Ak systém sám reguluje tok energie do oscilačného obvodu, aby kompenzoval straty energie na rezistore, potom netlmené vibrácie.

Systémy, v ktorých sa generujú trvalé oscilácie v dôsledku toku energie zo zdroja v samotnom systéme, sa nazývajú samooscilujúce... Súvislé oscilácie, ktoré existujú v systéme bez vonkajších periodických síl, ktoré naň pôsobia, sa nazývajú samooscilácie.

Tranzistorový generátor je príkladom samooscilačného systému.
Pozostáva z oscilačného obvodu s kondenzátorom kapacity C a cievkou s indukčnosťou L, zdrojom energie a tranzistorom.

Ako vytvoriť spojité oscilácie v obvode?

Aby sa zabránilo tlmeniu elektromagnetických kmitov v obvode, je potrebné kompenzovať straty energie pre každú periódu.

Energiu v okruhu môžete doplniť dobitím kondenzátora.
Aby ste to dosiahli, musíte obvod pravidelne pripájať k zdroju konštantného napätia.

Kondenzátor by mal byť pripojený k zdroju iba v tých intervaloch, keď doska pripojená na kladný pól zdroja je kladne nabitá a doska pripojená na záporný pól je nabitá záporne.
Iba v tomto prípade zdroj dobije kondenzátor a doplní jeho energiu.

Ak je kľúč zatvorený v okamihu, keď doska pripojená k kladnému pólu zdroja má záporný náboj a doska pripojená k zápornému pólu je kladná, kondenzátor sa vybije cez zdroj. V tomto prípade sa energia kondenzátora zníži.

Zdroj konštantného napätia trvalo pripojený ku kondenzátoru obvodu nemôže podporovať nepretržité oscilácie v ňom, rovnako ako konštantná sila nemôže podporovať mechanické oscilácie.
Počas polovice periódy sa energia dostane do okruhu a v ďalšej polovici periódy sa vráti späť do zdroja.

V obvode sa netlmené kmity vytvoria len za predpokladu, že zdroj bude zapojený do obvodu v tých časových intervaloch, kedy je možný prenos energie na kondenzátor.
K tomu je potrebné zabezpečiť automatickú činnosť kľúča.
Pri vysokej frekvencii vibrácií musí mať kľúč spoľahlivý výkon. Ako taký prakticky bezzotrvačný spínač je použitý tranzistor.

Tranzistor pozostáva z emitora, bázy a kolektora.
Emitor a kolektor majú rovnaké hlavné nosiče náboja, ako sú diery (polovodič typu p).
Báza má hlavné nosiče opačného znamienka, napríklad elektróny (polovodič typu n).

Prevádzka tranzistorového generátora

Oscilačný obvod je zapojený do série so zdrojom napätia a tranzistorom tak, že kladný potenciál je aplikovaný na emitor a záporný potenciál na kolektor.
V tomto prípade je prechod emitor-báza (emitorový prechod) priamy a prechod báza-kolektor (kolektorový prechod) je obrátený a v obvode nepreteká žiadny prúd.
To zodpovedá otvorenému kľúču.

Aby sa v obvode obvodu objavil prúd a pri osciláciách dobil kondenzátor obvodu, je potrebné informovať základňu o potenciálnom zápore vzhľadom na emitor a v tých intervaloch, keď horná doska kondenzátor je kladne nabitý a spodný je záporný.
To zodpovedá zatvorenému kľúču.

V intervaloch, keď je horná doska kondenzátora záporne nabitá a spodná je kladne nabitá, by v obvode obvodu nemal byť žiadny prúd. Na to musí mať základňa kladný potenciál vzhľadom na žiarič.

Preto, aby sa kompenzovala strata energie oscilácií v obvode, napätie na prechode emitora musí pravidelne meniť znamienko presne v súlade s kolísaním napätia v obvode.
Potrebné Spätná väzba.

Tu je spätná väzba induktívna
K prechodu emitoru je pripojená cievka s indukčnosťou L CB, ktorá je indukčne prepojená s cievkou s indukčnosťou L obvodu.
Oscilácie v obvode v dôsledku elektromagnetickej indukcie vybudia kolísanie napätia na koncoch cievky, a teda na prechode emitora.
Ak je správne zvolená fáza kolísania napätia na prechode emitoru, potom "otrasy" prúdu v obvode obvodu pôsobia na obvod v požadovaných časových intervaloch a kolísanie netlmí.
Naopak, amplitúda kmitov v obvode narastá, kým energetické straty v obvode nie sú presne kompenzované príkonom energie zo zdroja.
Táto amplitúda je tým väčšia, čím vyššie je napätie zdroja.
Zvýšenie napätia vedie k zvýšeniu "otrasov" prúdu dobíjajúceho kondenzátor.

Tranzistorové generátory sú široko používané nielen v mnohých rádiových zariadeniach: rádiové prijímače, vysielacie rádiové stanice, zosilňovače, počítače.

Hlavné prvky samooscilačného systému

Na príklade generátora na báze tranzistora je možné určiť hlavné prvky charakteristické pre mnohé samooscilačné systémy.

1. Zdroj energie, vďaka ktorému sú udržiavané trvalé oscilácie (v generátore na báze tranzistora ide o zdroj konštantného napätia).

2. Oscilačný systém je tá časť samooscilačného systému, v ktorej sa kmitanie vyskytuje priamo (v generátore na báze tranzistora ide o oscilačný obvod).

3. Zariadenie, ktoré reguluje tok energie zo zdroja do oscilačného systému - ventil (v uvažovanom generátore - tranzistor).

4. Zariadenie poskytujúce spätnú väzbu, pomocou ktorého oscilačný systém riadi ventil (v generátore na tranzistore - indukčná väzba cievky obvodu s cievkou v obvode emitor-báza).

Príklady samooscilačných systémov

Vlastné kmity v mechanických systémoch: hodinky s kyvadlom alebo vyvažovacím kolieskom (koleso s pružinou, ktorá vytvára torzné kmity). Zdrojom energie v hodinkách je potenciálna energia zdvihnutého závažia alebo stlačenej pružiny.

Samooscilačné systémy zahŕňajú elektrický sekací zvon, píšťalu, organové píšťaly a ďalšie. Naše srdce a pľúca možno považovať aj za samooscilačné systémy.