1. Генератор на транзисторе

Определения и обозначения

Генератор на транзисторе — устройство, поддерживающее электрические колебания за счёт энергии источника постоянного тока. Транзистор в нём работает как усилительный элемент. Такое определение показывает, откуда берётся энергия и почему на выходе появляется переменный сигнал.

Колебательный контур — цепь с конденсатором и катушкой индуктивности, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания. Конденсатор накапливает энергию электрического поля, а катушка — энергию магнитного поля. Контур нужен для возникновения колебаний и определения их частоты.

Положительная обратная связь — передача части выходного сигнала на вход так, чтобы она усиливала колебания. Для этого возвращённый сигнал должен иметь подходящую фазу. Благодаря обратной связи усилитель не просто увеличивает краткий импульс, а поддерживает повторяющийся процесс.

Самовозбуждение — возникновение и поддержание колебаний в системе без периодического внешнего сигнала. Началом служат случайные малые возмущения, возникающие после включения устройства. Термин подчёркивает, что генератор запускается сам, хотя энергию для работы получает от источника постоянного тока.

Как это устроено

В заряженном конденсаторе сосредоточена энергия электрического поля. При соединении с катушкой конденсатор начинает разряжаться, поэтому в цепи появляется ток и вокруг катушки нарастает магнитное поле. Затем конденсатор перезаряжается уже с противоположной полярностью, ток уменьшается, а энергия магнитного поля возвращается в электрическое поле конденсатора. Так повторяется обмен энергией, создавая электромагнитные колебания.

В настоящем контуре проводники обладают сопротивлением, а часть энергии излучается и рассеивается. Поэтому при каждом цикле в колебаниях остаётся немного меньше энергии, чем раньше, и амплитуда уменьшается. Один только контур не может восполнить эту потерю, поскольку не имеет источника энергии. Генератор подключает к процессу источник постоянного тока и постепенно передаёт его энергию колебаниям.

Транзистор получает небольшой сигнал от колебательного контура и управляет значительно большей энергией источника. Поэтому на выходе транзистора появляется усиленный сигнал, способный компенсировать потери. Цепь обратной связи возвращает часть этого сигнала на вход транзистора. Если фаза выбрана правильно, возвращённое воздействие складывается с исходным и усиливает очередное колебание.

После включения в цепи нет идеально полного покоя: существуют тепловые шумы, краткие переходные процессы и электромагнитные наводки. Эти малые возмущения попадают в цепь усиления и через обратную связь возвращаются на вход. Каждый новый цикл увеличивает их амплитуду, если усиление достаточно для компенсации потерь. Такой запуск без внешнего периодического сигнала называют самовозбуждением.

Частоту в основном задаёт колебательный контур, потому что именно его ёмкость и индуктивность определяют скорость обмена энергией. Для идеального контура ν = 1/(2π√(LC)), где L — индуктивность катушки, а C — ёмкость конденсатора. Усиление транзистора и величина обратной связи влияют прежде всего на возможность запуска и амплитуду. Амплитуда устанавливается тогда, когда поступающая от источника энергия за цикл становится равной энергии потерь.

Элементы транзисторного генератора и их функции

Таблицу удобно читать как последовательность работы устройства: источник даёт энергию, транзистор управляет ею, а контур превращает процесс в колебания. Затем обратная связь возвращает часть сигнала на вход. Последняя строка объясняет условие устойчивой работы: за период нужно восполнить энергию, потерянную в контуре.

Разбор задач

Задача 1. Обмен энергией в контуре

В контуре конденсатор и катушка обмениваются энергией. Нужно описать изменение электрического и магнитного полей за один цикл. Удобнее начать с момента, когда конденсатор полностью заряжен.

1. В начале конденсатор заряжен максимально, поэтому энергия электрического поля имеет наибольшее значение, а ток и магнитное поле катушки равны нулю.
2. Конденсатор разряжается через катушку. Электрическое поле ослабевает, ток увеличивается, и энергия переходит в магнитное поле.
3. Когда конденсатор разряжен, ток максимален, поэтому магнитное поле катушки и его энергия максимальны. По инерции ток продолжает течь и перезаряжает конденсатор.
4. Ток уменьшается до нуля, магнитное поле исчезает, а электрическое поле снова становится максимальным, но полярность конденсатора меняется на противоположную. Далее процесс повторяется в обратном направлении.

Ответ: за цикл энергия дважды переходит из электрического поля в магнитное и обратно. В идеальном контуре сумма этих энергий постоянна, а в реальном постепенно уменьшается из-за потерь.

Задача 2. Нарушение обратной связи

Источник постоянного тока и колебательный контур исправны, но соединение цепи обратной связи разорвано. Нужно объяснить, почему генерация прекратится. Сам контур действительно может начать свободные колебания, однако этого недостаточно для их длительного поддержания.

1. После включения в контуре возникают малые колебания или переходный процесс.
2. Из-за сопротивления и других потерь энергия колебаний уменьшается, поэтому амплитуда начинает падать.
3. Без цепи обратной связи сигнал с выхода не возвращается на вход транзистора в нужной фазе.
4. Транзистор не получает правильного управляющего воздействия и не передаёт контуру порции энергии в каждый цикл.

Ответ: колебания затухнут, потому что источник постоянного тока не подключается к контуру автоматически. Для поддержания генерации нужны одновременно усиление транзистора и замкнутая положительная обратная связь.

Задача 3. Изменение частоты

Частота идеального контура определяется формулой ν = 1/(2π√(LC)). Ёмкость увеличили в четыре раза, а индуктивность оставили прежней. Требуется сравнить новую частоту ν₂ с исходной ν₁.

1. Запишем отношение частот: ν₂/ν₁ = √(LС)/(√(L·4С)).
2. Одинаковые L и C сократятся, поэтому ν₂/ν₁ = 1/√4.
3. Так как √4 = 2, получаем ν₂/ν₁ = ½.

Ответ: частота уменьшится в два раза. Причина — частота обратно пропорциональна квадратному корню из ёмкости.

Типичные ошибки

Считать, что транзистор сам задаёт частоту. Так думают, потому что транзистор является главным усилительным элементом схемы. Проверка проста: частота связана с L и C формулой ν = 1/(2π√(LC)), а транзистор главным образом влияет на усиление и амплитуду.

Путать положительную обратную связь с любой передачей сигнала на вход. Сам факт возврата сигнала ещё не гарантирует усиления: при неправильной фазе он может ослаблять колебания. Нужно проверить, складывается ли возвращённый сигнал с исходным воздействием.

Полагать, что генератор создаёт энергию. Такая ошибка возникает из-за наблюдения: на выходе появляется непрерывный сигнал, хотя входом служит постоянный ток. Следует найти источник энергии — им является источник питания, а генератор только преобразует её и компенсирует потери.

Считать, что колебания сразу возникают с большой амплитудой. На практике запуск начинается с шумов и других малых возмущений. Если мысленно проследить первые циклы, станет видно: амплитуда сначала растёт, а затем ограничивается потерями и условиями работы схемы.

Связь с другими темами

Для понимания генератора нужно знать устройство транзистора и принцип усиления электрического сигнала. Также необходимы представления о свободных электромагнитных колебаниях и превращении энергии электрического поля в магнитное. Эти знания применяются при изучении радиопередатчиков, радиоприёмников и других источников переменного сигнала.

Что запомнить

• Генератор преобразует энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний.
• Колебательный контур задаёт частоту колебаний.
• Транзистор усиливает сигнал.
• Положительная обратная связь возвращает часть сигнала на вход и поддерживает колебания.
• Началом колебаний служат малые начальные возмущения.
• Энергия, поступающая от источника, компенсирует потери в контуре.