Rc-генератор

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль «клапана» играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L_св индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

При замыкании цепи через транзистор проходит импульс тока, который заряжает конденсатор С колебательного контура, в результате чего в контуре возникают свободные электромагнитные колебания малой амплитуды. Ток, протекающий по контурной катушке L, индуцирует на концах катушки обратной связи переменное напряжение. Под действием этого напряжения электрическое поле эмиттерного перехода периодически то усиливается, то ослабляется, а транзистор то открывается, то запирается. В те промежутки времени, когда транзистор открыт, через него проходят импульсы тока. Если катушка L_св подключена правильно (положительная обратная связь), то частота импульсов тока совпадает с частотой колебаний, возникших в контуре, и импульсы тока приходят в контур в те моменты, когда конденсатор заряжается (когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно). Поэтому импульсы тока, проходящие через транзистор, подзаряжают конденсатор и пополняют энергию контура, и колебания в контуре не затухают.

Если при положительной обратной связи медленно увеличивать расстояние между катушками L_св и L, то с помощью осциллографа можно обнаружить, что амплитуда автоколебаний уменьшается, и автоколебания могут прекратиться. Это значит, что при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур, меньше энергии, необратимо преобразуемой во внутреннюю. Таким образом, обратная связь должна быть такой, чтобы: 1) напряжение на эмиттерном переходе изменялось синфазно с напряжением на конденсаторе контура — это фазовое условие самовозбуждения генератора; 2) обратная связь обеспечивала бы поступление в контур столько энергии, сколько ее необходимо для компенсации потерь энергии в контуре — это амплитудное условие самовозбуждения.

Частота автоколебаний равна частоте свободных колебаний в контуре и зависит от его параметров.

Уменьшая L и С, можно получить высокочастотные незатухающие колебания, используемые в радиотехнике.

Амплитуда установившихся автоколебаний, как показывает опыт, не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы — напряжением источника, расстоянием между L_св и L, сопротивлением контура.

Один из комментариев под видео на YouTube

Михаил Незнаю:
Для размышления. Из личного опыта. Я намотал конденсатор в виде катушки из двух алюминиевых полос по 25 мм, по 50 витков каждая (примерно) это около 6 м, на сердечнике от твс, а контакты вывел как бы бифилярно – начало одной обкладки и конец другой.. Емкость такой катушки-конденсатора получилась около 50 нф. Эту катушку-конденсатор подключить к индуктивности, что бы получить параллельный колебательный контур. Получилось зажечь лампочку на вторичной обмотке, при этом ставил цель создать магнитный поток в сердечнике, не за счет тока, а за счет статического электричества (видимо холодного электричества), а раз это так, то зарядом этого “конденсатора” можно воспользоваться многократно получая на выходе больше затраченного… Сейчас жду трансформаторное масло, что бы проверить работу от искровика в резонансном контуре, т.к. у такой “катушки” емкость и мощность, как я понял, годится только при высоком потенциале.

Генераторы электрических колебаний

• По форме выходного сигнала:
  • Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.)
  • Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы
  • Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов
  • Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)
  • Генератор шума

Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица

• По частотному диапазону:
  • Низкочастотные
  • Высокочастотные
• По принципу работы:
  • Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса
  • Блокинг-генераторы
  • LC-генераторы
  • RC-генераторы
  • Генераторы на туннельных диодах
• По назначению:

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.

Генераторы гармонических колебаний

Блок схема генератора

Генератор гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Термин положительная обратная связь означает, что фазовый сдвиг в петле обратной связи близок к 2π{\displaystyle 2\pi }, т. е. цепь обратной связи не инвертирует сигнал.

LC-генератор с перекрёстными связями. В этом генераторе синусоидальность выходного сигнала обеспечивается колебательным контуром в стоках транзисторов.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний с малыми искажениями синусоиды являются:

1. петлевой сдвиг фазы равен 360°,
2. обратная связь резонансная или квазирезонансная, как, например, в генераторе с мостом Вина, или сам усилитель является частотноизбирательным (резонансным).
3. петлевое усиление точно равно 1,
4. рабочая точка усилительного каскада находится на его линейном или приблизительно линейном участке.

Пояснения необходимости 2-го и 3-го условий.

Если петлевое усиление ниже 1 — то колебания затухают. Если петлевое усиление больше 1 — то колебания нарастают до физического ограничения, так, амплитуда выходного напряжения усилителя не может быть больше напряжения питания, при таком ограничении форма синусоидального напряжения искажается.

Примером структур с положительной обратной связью может служить мультивибратор, или иные релаксационные генераторы, но в таких схемах применены частотно-неизбирательные обратные связи и усилители, поэтому генерируемые ими колебания далеки от синусоидальных.

Применение[править | править код]

Далеко не полный список устройств, в которых применяются генераторы сигналов:

• Устройства связи — радиоприемники (гетеродин в супергетеродинных радиоприёмниках), телевизионные приемники, мобильные телефоны, приёмопередатчики, аппаратура передачи данных и др.
• и вычислительная техника обязательно содержит генератор тактовых импульсов.
• , инверторы, источники бесперебойного электропитания.
• Измерительные приборы — осциллографы, измерительные вольтметры, амперметры и др.
• Медицинское оборудование — электрокардиографы, томографы, рентгенографы, электронные тонометры, аппараты для ультразвукового исследования (УЗИ), физиотерапевтические приборы и др.
• Эхолоты.
• Бытовая техника — программируемые стиральные машины, СВЧ-печи, посудомоечные машины и др.

Генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающими RC-цепями

Ещё одним видом генератора синусоидальных колебаний является генератор на фазосдвигающих цепочках. Схем генератора данного типа существует несколько разновидностей, в их основе лежат лестничные RC-цепи, которые обеспечивают сдвиг фазы для генерируемой частоты на 180°. Что с учётом инвертирующего усилителя, который также обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180°, получаем суммарный сдвиг фазы сигнала 0°. Количество звеньев лестничной цепи может быть любое количество, но не менее трёх.

Так же как и в случае с мостом Вина лестничные цепи ослабляют сигнал, поэтому коэффициент усиления ОУ должен компенсировать данное ослабление. Чтобы не углубляться в вывод расчётных формул приведу основные соотношения в различных типах генераторах со сдвигающими лестничными цепями.

Для схемы на рисунке А

Для схемы на рисунке Б

Для схемы на рисунке В

Так же как и в генераторе Вина основной проблемой является обеспечение стабильности амплитуды. Решением данной проблемы является использование в схеме автоматической стабилизации амплитуды путём введения нелинейных сопротивлений в цепь ООС ОУ. Простейшим таким стабилизатором амплитуды является сборка из двух встречно-паралелльных полупроводниковых диодов

Кроме показанных генераторов синусоидальных сигналов в современной электронике находят применения методы выделения нужного синусоидального колебания из более сложного, например, из треугольного или прямоугольного посредством разложения его в ряд Фурье. Однако данная тема более сложная в изучении и поэтому является темой другой статьи, которая обязательно появится на моём блоге.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Резонансная частота

Где: ƒ _r в Герцах, L в Генри и C в Фарадах

Тогда частота, с которой это произойдет, определяется как:

Затем за счет упрощения приведенного выше уравнения, мы получаем окончательное уравнение для резонансной частоты ƒ _г в настроенном LC цепи, как:

Где: L индуктивность в ГенриC — емкость в Фарадахƒ _r — выходная частота в Герцах

Это уравнение показывает, что если L или C уменьшаются, частота увеличивается. Эта выходная частота обычно дается сокращенная (  ƒ _г  ) , чтобы определить его как «резонансную частоту».

Чтобы сохранить колебания в цепи резервуара LC, мы должны заменить всю энергию, потерянную в каждом колебании, а также поддерживать амплитуду этих колебаний на постоянном уровне. Следовательно, количество заменяемой энергии должно быть равно энергии, потерянной в течение каждого цикла.

Если замещаемая энергия слишком велика, амплитуда будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет ограничение питающих шин. В качестве альтернативы, если количество заменяемой энергии слишком мало, амплитуда в конечном итоге со временем уменьшится до нуля, и колебания прекратятся.

Самый простой способ восполнить эту потерянную энергию — это взять часть выходного сигнала из цепи резервуара LC , усилить его и затем снова подать обратно в цепь LC . Этот процесс может быть достигнут с использованием усилителя напряжения с использованием операционного усилителя, полевого транзистора или биполярного транзистора в качестве активного устройства. Однако, если усиление контура усилителя обратной связи слишком мало, требуемое колебание уменьшается до нуля, а если оно слишком велико, форма сигнала искажается.

Чтобы производить постоянные колебания, уровень энергии, возвращаемой обратно в сеть LC, должен точно контролироваться. Тогда должна быть некоторая форма автоматической амплитуды или получить контроль, когда амплитуда пытается отличаться от опорного напряжения либо вверх, либо вниз.

Для поддержания стабильных колебаний общий коэффициент усиления цепи должен быть равен единице. Меньше, и колебания не начнутся или не угаснут до нуля, колебания больше не будут происходить, но амплитуда будет ограничена питающими рельсами, вызывая искажения. Рассмотрим схему ниже.

История[править | править код]

В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрёл и построил искровой генератор электромагнитных волн.

В 1913 году Александр Мейснер (Германия) изобрёл электронный генератор Мейснера на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром в выходной (анодной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.

В 1914 году Эдвин Армстронг (США) запатентовал электронный генератор на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром во входной (сеточной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.

В 1915 году американский инженер из Western Electric Company Ральф Хартли, разработал ламповую схему известную как генератор Хартли, известную также как индуктивная трёхточечная схема («индуктивная трёхточка»). В отличие от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура.

В 1919 году Эдвин Колпитц изобрёл генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через ёмкостной делитель напряжения, часто называемый «ёмкостная трёхточка».

В 1932 году американец Гарри Найквист разработал теорию устойчивости усилителей, которая также применима и для описания устойчивости генераторов. (Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова).

Позже было изобретено множество других электронных генераторов.

Импульсные генераторы

Существует много устройств, которые не требуют от RC-генераторов производить синусоиду. Наиболее часто применяются генераторы импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор является одним из них. Другое схемотехническое решение генератора используется в специализированной интегральной микросхеме 555 timer IC, выпускаемой фирмой Philips. В Советском Союзе идея такого построения генератора импульсного напряжения была реализована в 80-х годах прошлого века в изобретениях по авторским свидетельствам № 1072261 и № 1392617.
Отличительной особенностью этих генераторов является то, что, в отличие от 555 timer IC, они могут собираться на стандартных микросхемах. Многие несинусоидальные RC-генераторы требуют только одну RC-цепь.

Преимущества и недостатки

Преимущества волновой энергетики:

• волновая электростанция способна заменить волногасители, защищающие береговую линию и прибрежные сооружения от разрушения;
• волновые электрогенераторы малой мощности можно монтировать непосредственно на мостовых опорах, причалах, принимая мощность волн;
• удельная мощность волнения волн выше удельной мощности ветров на 1-2 порядка, соответственно волновая энергетика может оказаться выгоднее, нежели ветряная.

Недостатки:

• штормовая волна способна смять лопасти водяных турбин. Проблема решается методами искусственного уменьшения мощности, заключенной в волнах;
• некоторые типы генераторов представляют реальную угрозу для безопасности мореплавания;
• в местах установки отдельных видов агрегатов промышленное рыболовство становится невозможным.

Волновой резонанс, генерируемый многослойной катушкой

Мастер снял видеоролик о волновом резонансе многослойной катушки, которая будет использоваться в резонансном трансформаторе для получения свободной энергии. Катушка моталась из расчёта рабочей частоты 288 кгц.

Длина волны 1041,6 м. 1 четверть, соответственно, 260 м. Это уложилось в 1385 витков. Намотал секциями по 462 витка.

Проверка будет проводиться датчиками напряжения и магнитного поля. В схеме опыта 2 датчика: датчик тока на земляном конце. И второй на горячем конце. На осциллографе верхний луч на горячем, нижний на холодном. Аккумулятор, узел коммутации. Включаем. Только потребление порядка 3 ампер. На фото сигналы датчика.

При такой противофазе сигналов только горячего и холодного концов появился волновой резонанс на частоте 154 килогерц.

Высокое напряжение внутри катушки. Что же образовалась внутри? Датчик напряжения на расстоянии 10 и 12 сантиметров мощно светится. Это происходит именно на 3 секции.

В результате сложения волн здесь образовался узел. Теперь смотрим датчик магнитного поля. Он должен светиться по всей катушке при волновом резонансе. Это так и есть.

На узле при расстоянии 1,5 – 2 см максимально яркость свечения. То есть катушку съёма надо ставить на этом расстоянии. Таким образом можно с помощью датчика определять радиус магнитного поля на разных участках катушки.
Обмотка нагревается, буквально за несколько минут 3 секции становится горячей.
Если выбирать частоту от резонансной в другую сторону, смотрим, что на катушке. Датчик не светится. То есть падающая и отраженная волна здесь не складываются. Резонанса при этой частоте нет. Если вращать новое регулятор частоты, чтобы сигналы датчиков находились в противофазе, загорается лампа, появляется зебра и снова такое поле напряженности.
Чтобы работать с этой намоткой, инженер изготовил катушку съема здесь пока 40 м.

Сильно отличается частота волнового резонанса от теоретической. По идее должно быть около 1 Мгца, но из-за того, что такой многослойный пирог, частота получилось совсем другая – 154 килогерц.

Другие видео автора:
https://www.youtube.com/channel/UCS01B9OLC57Ipp8XUTPmbEA/videos?disable_polymer=1