Страница 73 из 85
Подобная задача уже возникала перед нами, когда мы создавали систему автоматической стабилизации режима транзисторного усилителя. Уже тогда мы отметили, какую большую роль играет в электронной аппаратуре малая автоматизация. Еще один пример простейшей схемы авторегулировки мы встречаем в генераторе незатухающих колебаний, например, в виде схемы, постепенно запирающей транзистор, с увеличением управляющего сигнала.
Итак, для того чтобы усилитель превратился в генератор и давал незатухающие электрические колебания, нужно выполнить два условия. Их обычно называют условием фаз и условием связи (рис. 114).
Рис. 114. Для получения автоколебаний необходимо выполнить два условия: условие фаз и условие связи.
(Рис. 110–113 см. на цветной вклейке между стр. 288–289)[2].
Выполнить условие фаз — это значит подать из выходной цепи во входную сигнал именно в такой фазе, чтобы он компенсировал потери энергии. Проще говоря, в автогенераторе обратная связь должна быть положительной. Выполнить условие связи — значит подать из выходной цепи во входную сигнал настолько мощный, чтобы он полностью компенсировал все потери энергии во входной цепи.
Как мы только что видели по цепи обратной связи, энергию нужно передавать даже с некоторым избытком, в расчете на то, что система авторегулировки сама будет поддерживать нужный уровень поступающего во входную цепь сигнала.
Схема, которую мы до сих пор рассматривали, называется схемой с трансформаторной обратной связью: контурная катушка Lк и катушка обратной связи Lос образуют своего рода трансформатор. Условие фаз в этой схеме выполняется только при определенном включении выводов катушек. И если генератор, собранный по трансформаторной схеме, почему-либо не работает, то прежде всего стоит предположить, что катушки включены неверно и условие фаз не выполняется — обратная связь получается не положительной, а отрицательной. В этом случае нужно поменять местами выводы одной из двух катушек и повернуть таким образом фазу напряжения, поступающего на вход генератора, на 180°. Если не выполняется условие связи, то следует сблизить катушки или увеличить число витков катушки Lос.
Кроме генератора с трансформаторной обратной связью, существуют еще две схемы автогенераторов с колебательным контуром (очень скоро мы познакомимся с генераторами, в которых контура нет). Это так называемые трехточечные схемы (рис. 115) с емкостной или же с индуктивной обратной связью.
Рис. 115. Частота автоколебаний определяется параметрами электрической цепи, в частности индуктивностью и емкостью контура.
Трехточечные схемы получили такое название потому, что в них транзистор подключается к контуру в трех точках и напряжение Uос обратной связи снимается с некоторой части самого контура. В индуктивной трехточечной схеме Uос снимается с части катушки Lк, а в емкостной схеме — с конденсатора С''к, который вместе с С'к входит в контур. Общая емкость контура в этом случае определяется двумя последовательно соединенными конденсаторами (Воспоминание № 14).
Условие фаз в обеих схемах выполняется только при таком подключении контура к транзистору, когда в центре оказывается эмиттер, а по краям — коллектор и база. Если не выполняется условие связи, то в индуктивной схеме нужно несколько переместить среднюю точку подключения к контуру с таким расчетом, чтобы между базой и эмиттером оказалось большее число витков. При этом увеличится и напряжение обратной связи Uос. В емкостной схеме в подобном случае нужно уменьшить емкость конденсатора С''к, с которого снимается напряжение Uос так как этот конденсатор вместе с С'к образует своего рода делитель напряжения. Чем меньше С''к, тем больше его емкостное сопротивление (Воспоминание № 13), тем большая часть контурного напряжения оказывается напряжением обратной связи.
Частота колебаний автогенератора во всех случаях определяется данными деталей контура LкСк. Оговорка «в основном» необходима потому, что в контур входят еще и невидимые индуктивности, емкости и сопротивления. И прежде всего емкости коллекторного и эмиттерного переходов. Они суммируются с параметрами самого контура и таким образом влияют на частоту. В случае необходимости можно довольно просто изменить частоту колебаний, изменив для этого Lк или Ск (рис. 115).
Автогенератор с колебательным контуром при правильном выборе режима транзистора дает напряжение, довольно близкое к синусоидальному. Однако синусоидальное напряжение можно получить и без контура — в так называемом RС-генераторе. В самом упрощенном виде принцип действия этого генератора можно описать так: в нем создана цепь обратной связи, по которой проходят колебания разных частот, но только для одной из них выполняется условие фаз, и именно на этой частоте происходит самовозбуждение (рис. 116).
Рис. 116. В RC-генераторе для выполнения условия фаз используются фазовращающие цепочки из конденсаторов и резисторов.
В цепь обратной связи генератора входят три цепочки, каждая из которых включает резистор и конденсатор. Отсюда и само название RС-генератор. Мы уже знаем, что конденсатор создает сдвиг фаз между током и напряжением (Воспоминание № 13), а резистор никакого сдвига фаз не создает. Вместе они сдвигают фазу на некоторый угол φ, который лежит в пределах между 0 и 90°. Угол сдвига фаз зависит от двух факторов — от соотношения между R и С и от частоты (Воспоминание № 16). С увеличением частоты, например, емкостное сопротивление хс уменьшается, его роль в общей последовательной цепи становится менее ощутимой, и угол сдвига фаз также становится меньше. На более низких частотах конденсатор становится главным действующим лицом, и угол сдвига фаз приближается к 90°.
Всегда существует такая частота, на которой угол сдвига фаз между током и напряжением, а значит, между напряжением, подводимым к RС-цепочке, и напряжением, которое с нее «понимается, равен 60°. Если соединить последовательно три такие цепочки, то они создадут на какой-то одной частоте (обратите внимание — только на одной определенной частоте!) общий угол сдвига фаз 180°. Именно на этой частоте в RC-генераторе будет выполняться условие фаз, и именно эту частоту он будет генерировать. Если нужно изменить частоту генерации, то достаточно изменить данные RС-цепочек. При уменьшении сопротивления R и емкости С условие фаз будет выполняться для более высокой частоты, а при их увеличении — для более низкой.
Теперь настал момент несколько отвлечься от основной темы и выполнить данное в конце предыдущего раздела обещание: объяснить, как возникает самовозбуждение в усилителе низкой частоты.
В усилителе НЧ всегда существует обратная связь. Это может быть отрицательная обратная связь, которую мы вводим для уменьшения искажений. Это может быть и неизвестно какая обратная связь, которая появляется неизвестно каким путем — через источники питания, через общие цепи смещения, через внутренние сопротивления транзисторов и т. д.
Вполне вероятно, что для какой-то частоты, а может быть, и для целой группы частот, элементы обратной связи создадут такой сдвиг фаз, что она окажется положительной. А если еще при этом будет выполняться необходимое для самовозбуждения условие фаз, то усилитель, естественно, превратится в генератор.
2
Рис. 110–113 см. на цветной вклейке между стр. 288–289.