транзисторен генератор
Принудените трептения, които разгледахме досега, възникват под действието на променливо напрежение, генерирано от генераторите в електроцентралите. Такива генератори не могат да създават високочестотни трептения, необходими за радиокомуникации. Необходима е твърде висока скорост на ротора. Високочестотните трептения се получават с помощта на други устройства, например с помощта на транзисторен осцилатор. Наречен е така, защото една от основните му части е полупроводниково устройство - транзистор.
Самосцилиращи системи. Непрекъснатите принудителни трептения често се поддържат във веригата чрез действието на външно периодично напрежение. Но има и други начини за получаване на незатихващи трептения.
Нека има източник на енергия в система, в която могат да съществуват свободни електромагнитни трептения. Ако самата система регулира потока на енергия в осцилаторната верига, за да компенсира загубите на енергия в резистора, тогава в нея могат да възникнат незатихващи трептения.
Системи, в които се генерират незатихващи трептения поради получаването на енергия от източник в самата система, се наричат автоколебателни. Незатихващите трептения, които съществуват в системата без външни периодични сили, действащи върху нея, се наричат автотрептения.
Транзисторният осцилатор е пример за самоосцилираща система. Състои се от осцилаторна верига с кондензатор C и индуктор L, източник на енергия и транзистор.
Как да създадем незатихващи трептения във веригата? Известно е, че ако кондензаторът на осцилаторната верига е зареден, тогава във веригата ще възникнат затихнали трептения. В края на всеки период на трептене зарядът на плочитекондензатор има по-малка стойност, отколкото в началото на периода. Общият заряд, разбира се, се запазва (винаги е равен на нула), но има намаляване на положителния заряд на една плоча и отрицателния заряд на другата с равни стойности. В резултат на това енергията на трептене намалява, тъй като съгласно формула (4.1) тя е пропорционална на квадрата на заряда на една от плочите на кондензатора. За да не изчезнат трептенията, е необходимо да се компенсират загубите на енергия за всеки период.
Можете да попълните енергията във веригата чрез презареждане на кондензатора. За да направите това, периодично свързвайте веригата към източник на постоянно напрежение. Кондензаторът трябва да бъде свързан към източника само през тези интервали от време, когато плочата, свързана към положителния полюс на източника, е положително заредена, а плочата, свързана към отрицателния полюс, е отрицателно заредена (фиг. 4.21). Само в този случай източникът ще презареди кондензатора, попълвайки енергията му.
Ако ключът е затворен в момента, когато плочата, свързана към положителния полюс на източника, има отрицателен заряд, а плочата, свързана към отрицателния полюс, е положителна, тогава кондензаторът ще се разреди през източника (фиг. 4.22). Тогава енергията на кондензатора ще намалее.
Следователно източник на постоянно напрежение, постоянно свързан към кондензатора на веригата, не може да поддържа незатихващи трептения в него, както постоянна сила не може да поддържа механични трептения. През половината от периода енергията влиза във веригата, а през следващата половина от периода се връща към източника. Във веригата ще се установят незатихващи трептения само при условие, че източникът е свързан към веригата през тези интервали от време, когато е възможно да се прехвърли енергия към кондензатора. За това е необходимо да се осигуриавтоматична работа на ключа (или клапана, както често се нарича). При висока честота на трептене ключът трябва да има надеждна скорост. Като такъв практически безинерционен ключ се използва транзистор.
Транзисторът, припомнете си, се състои от три различни полупроводника: емитер, база и колектор. Емитерът и колекторът имат еднакви основни носители на заряд, като дупки (това е p-тип полупроводник), докато основата има противоположни основни носители, като електрони (n-тип полупроводник). Схематично представяне на транзистора е показано на фигура 4.23.
Работата на генератора на транзистора. Опростена диаграма на генератора на транзистора е показана на фигура 4.24. Осцилаторната верига е свързана последователно с източник на напрежение и транзистор по такъв начин, че положителен потенциал се прилага към емитера и отрицателен потенциал към колектора. В този случай преходът емитер-база (емитер преход) е директен, докато преходът база-колектор (колектор) се оказва обратен и във веригата не протича ток. Това съответства на отворен ключ на фигури 4.21, 4.22.
За да възникне ток във веригата на веригата и да презареди кондензатора на веригата по време на трептения, е необходимо да се информира основата за отрицателен потенциал спрямо емитера и в тези интервали от време, когато горната (виж фиг. 4.24) плоча на кондензатора е положително заредена, а долната е отрицателна. Това съответства на частния ключ на фигура 4.21.
През интервалите от време, когато горната плоча на кондензатора е отрицателно заредена, а долната плоча е положително заредена, не трябва да има ток във веригата на веригата. За това основата трябва да има положителен потенциал спрямо емитера.
По този начин, за да се компенсират загубите на енергия от трептения във веригата, напрежениетона кръстовището на емитер трябва периодично да променя знака в строго съответствие с колебанията на напрежението във веригата. Необходима е, както се казва,обратна връзка.
Обратната връзка в разглеждания генератор е индуктивна. Индуктивна намотка LCB е свързана към емитерния преход, индуктивно свързана с индуктивната намотка L на веригата. Флуктуациите във веригата, дължащи се на електромагнитна индукция, възбуждат колебания на напрежението в краищата на бобината и по този начин в емитерния преход. Ако фазата на колебанията на напрежението в прехода на емитер е избрана правилно, тогава "ударите" на тока във веригата на веригата действат върху веригата в правилните интервали от време и трептенията не избледняват. Напротив, амплитудата на трептенията във веригата се увеличава, докато загубите на енергия във веригата се компенсират точно от захранването с енергия от източника. Тази амплитуда е толкова по-голяма, колкото по-голямо е напрежението на източника. Увеличаването на напрежението води до увеличаване на "ударите" на тока, който презарежда кондензатора.
Транзисторните осцилатори се използват широко не само в много радиотехнически устройства: радиоприемници, предавателни радиостанции, усилватели и др., Но и в съвременни електронни компютри.
Основните елементи на автоколебателна система Използвайки примера на транзисторен генератор, можем да различим основните елементи, характерни за много автоколебателни системи (фиг. 4.25).
1. Източник на енергия, поради който се поддържат незатихващи трептения (в транзисторен генератор това е източник на постоянно напрежение).
2. Осцилаторна система е тази част от автоколебателна система, в която трептенията възникват директно (в транзисторния генератор това е колебателен кръг).
3. Устройство, което регулира потока на енергия от източник къмосцилаторна система, - вентил (в разглеждания генератор ролята на вентил се играе от транзистор).
4. Устройство, което осигурява обратна връзка, с помощта на която осцилаторната система управлява вентила (в транзисторния генератор е осигурена индуктивна връзка на намотката на веригата с намотката в веригата емитер-база).
Примери за други автоколебателни системи. Автоколебанията се възбуждат не само в електрически системи, но и в механични. Такива системи включват обикновени часовници с махало или балансьор (колело с пружина, което извършва усукващи вибрации). Източникът на енергия в часовника е потенциалната енергия на вдигната тежест или сгъната пружина.
Самоосцилиращите системи включват електрически звънец с прекъсвач, свирка, органни тръби и много други. Сърцето и белите ни дробове също могат да се разглеждат като самоосцилиращи системи.
Запознахме се с най-сложния вид трептения - собствените трептения. В автоколебателните системи се получават незатихващи трептения с различни честоти. Без такива системи нямаше да има модерни радиокомуникации, нито телевизия, нито компютри.
Въпроси към параграфа
1. Какво е самоколебаща се система?
2. Каква е разликата между собствените трептения и принудените и свободните трептения?
3. Опишете свойствата на p-n прехода в полупроводниците.
4. Как работи транзисторът?
5. Каква е ролята на транзистора за генериране на собствени трептения?
6. Как се осъществява обратната връзка в транзисторния осцилатор?
7. Посочете основните елементи на автоколебателната система.
8. Дайте примери за автоколебателни системи, които не са разгледани в текста.
Това завършва изследването на механичните и електрическите трептения. Забележителна е идентичността на общия характер на процеситеразличен характер, идентичността на математическите уравнения, които ги описват. Тази идентичност, както видяхме, значително улеснява изучаването на трептенията.