§ 2.13. Генератор на транзисторе

Определения и обозначения

Генератор электрических колебаний — устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в незатухающие электрические колебания. Он нужен для получения переменного напряжения или тока без периодического внешнего воздействия. В генераторе энергия не возникает сама, а непрерывно поступает от источника.

Транзистор — активный элемент схемы, усиливающий электрические колебания за счёт энергии источника питания. Небольшое изменение сигнала на его входе управляет значительно большим током в выходной цепи. Поэтому транзистор может восполнять энергию, потерянную контуром.

Положительная обратная связь — передача части выходного сигнала на вход в такой фазе, при которой колебания усиливаются. Она нужна, чтобы генератор сам поддерживал процесс после первоначального запуска. Если фаза выбрана неверно, возвращённый сигнал будет ослаблять колебания.

Автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые источником энергии без периодического внешнего воздействия. Их частота и форма определяются самой системой, а не отдельным внешним генератором. В транзисторной схеме автоколебания возникают благодаря совместной работе контура, транзистора и обратной связи.

Как это устроено

Свободные колебания реального контура постепенно затухают, потому что проводники обладают сопротивлением. При прохождении тока часть энергии электрического поля превращается во внутреннюю энергию проводников, а небольшая часть теряется из-за излучения. Поэтому без дополнительного подвода энергии напряжение и ток в контуре со временем уменьшаются.

Транзистор получает энергию от источника постоянного напряжения и управляет током, проходящим через колебательный контур. В нужные моменты он добавляет в контур порцию энергии, компенсируя потери на сопротивлении. Источник при этом остаётся постоянным, а периодический характер тока создаётся работой транзистора и контура.

Цепь обратной связи соединяет выходную часть схемы со входом транзистора. Она отбирает лишь часть сигнала и возвращает её так, чтобы изменение напряжения на входе усиливало текущее колебание. Правильная фаза особенно важна: при сдвиге примерно на полпериода обратная связь становится отрицательной и генерация ослабевает.

После включения в схеме всегда есть малые случайные колебания, вызванные шумами и переходными процессами. Если усиление транзистора вместе с обратной связью достаточно велико, каждый следующий цикл становится сильнее предыдущего. Рост прекращается, когда нелинейность транзистора ограничивает ток и подводимая энергия за период сравнивается с потерями.

Частоту генератора главным образом задаёт колебательный контур, а не транзистор. Для индуктивности L и ёмкости C она определяется формулой Томсона: f = 1/(2π√(LC)). Изменение ёмкости или индуктивности меняет частоту, тогда как транзистор в основном обеспечивает усиление и устойчивое поддержание амплитуды.

Назначение элементов транзисторного генератора

В таблице показано, какую задачу выполняет каждый компонент схемы и каким образом он участвует в получении колебаний. Для анализа генератора удобно идти от источника энергии к контуру, а затем проверить работу обратной связи и выходной цепи.

Разбор задач

Задача 1

Колебательный контур имеет индуктивность 10 мкГн и ёмкость 100 пФ. Требуется найти частоту его собственных колебаний. Используем формулу Томсона и сначала переводим величины в единицы СИ.

1. L = 10 мкГн = 10⁻⁵ Гн, C = 100 пФ = 10⁻¹⁰ Ф.
2. LC = 10⁻¹⁵, поэтому √(LC) ≈ 3,16·10⁻⁸ с.
3. f = 1/(2π·3,16·10⁻⁸) ≈ 5,03·10⁶ Гц.

Ответ: частота собственных колебаний примерно равна 5,0 МГц. В реальном генераторе частота может немного отличаться из-за потерь и ёмкости других деталей схемы.

Задача 2

Объясним, почему неправильное подключение катушки обратной связи мешает генерации. Нужно выяснить, усиливает ли сигнал, возвращённый на вход, исходное изменение или действует ему навстречу.

1. Определяем фазу напряжения, которое появляется на выходе транзистора.
2. Учитываем фазовый сдвиг, создаваемый катушкой и её подключением.
3. Если возвращённый сигнал совпадает по фазе с входным, обратная связь положительная; при противоположной фазе она ослабляет колебания.

Ответ: при неправильном подключении катушки обратная связь становится отрицательной. Малые колебания не усиливаются и после переходного процесса затухают.

Задача 3

Генератор должен работать на частоте 1 МГц при ёмкости контура 250 пФ. Найдём индуктивность катушки и перечислим условия запуска. Из формулы f = 1/(2π√(LC)) выражаем L = 1/((2πf)²C).

1. f = 10⁶ Гц, C = 250 пФ = 2,5·10⁻¹⁰ Ф.
2. L = 1/((2π·10⁶)²·2,5·10⁻¹⁰) ≈ 1,01·10⁻⁴ Гн.
3. L ≈ 101 мкГн; кроме того, нужны источник питания, положительная обратная связь и усиление, достаточное для компенсации потерь.

Ответ: необходима катушка индуктивностью примерно 100 мкГн. Генерация начнётся, если транзистор подключён к источнику, фаза обратной связи правильна, а усиление превышает потери в контуре.

Типичные ошибки

Считать, что транзистор сам создаёт энергию. Так думают из-за слова «усиление», но транзистор лишь управляет энергией источника постоянного тока. Проверьте себя: в объяснении работы всегда должен присутствовать источник питания.

Путать положительную обратную связь с любой обратной связью. Сам факт возвращения сигнала ещё не означает усиление; решающей является его фаза. Нарисуйте направление сигнала и определите, увеличивает ли он исходное изменение.

Считать, что частоту задаёт только транзистор. Транзистор обеспечивает передачу энергии, а преимущественную частоту задают L и C. Проверьте формулу f = 1/(2π√(LC)): в ней параметров транзистора нет.

Забывать о потерях энергии. Идеальная схема могла бы колебаться без затухания, но сопротивление проводников уменьшает энергию контура. Если источник и транзистор не компенсируют эти потери, амплитуда будет постепенно падать.

Связь с другими темами

Для понимания генератора нужны знания о транзисторе, законе Ома, переменном токе и колебательном контуре. Тема продолжает изучение свободных и вынужденных электромагнитных колебаний, резонанса и формулы Томсона. Принцип генерации используется в радиопередатчиках, радиоприёмниках, генераторах сигналов и системах связи.

Что запомнить

• Генератор преобразует энергию постоянного источника в электрические колебания.
• Транзистор компенсирует потери энергии в колебательном контуре.
• Для самоподдержания колебаний необходима положительная обратная связь.
• Незатухающие колебания в генераторе являются автоколебаниями.
• Частота генерации главным образом определяется параметрами L и C.
• При неправильной фазе обратной связи колебания ослабляются и генерация срывается.