Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Что же такое автоколебания? Энциклопедический словарь определяет их так: «…незатухающие колебания, которые могут существовать в какой-либо системе в отсутствие переменного внешнего воздействия, причем амплитуда и период колебаний определяются свойствами самой системы». Применительно к транзисторному устройству, где создаются автоколебания (вы уже, конечно, догадались, что именно такое устройство и называется транзисторным генератором), это определение нужно понимать следующим образом. Мы подводим к генератору только питающее постоянное напряжение, а он дает нам непрерывные, непрекращающиеся электрические колебания (конечно, когда батарея разрядится, то колебания прекратятся, но об этом сейчас не стоит говорить). Генератор создает в своих цепях переменный ток и переменное напряжение, частота и амплитуда которых зависят только от элементов самой транзисторной схемы.

Очевидно, это определение направило ваши мысли к колебательному контуру. Ведь в нем тоже под действием постоянной порции энергии, например под действием энергии, полученной при зарядке конденсатора, возникают электрические колебания. И частота этих колебаний тоже зависит только от элементов самой системы — от индуктивности Lк катушки к емкости Ск конденсатора (Воспоминание № 20). Однако собственные колебания в контуре постепенно затухают, и таким образом нарушается основной элемент определения — «…незатухающие колебания».

И все же мы обратились к колебательному контуру не напрасно. В сочетании с транзисторным усилителем он позволяет получить самый настоящий генератор автоколебаний.

Почему затухают колебания в контуре? Потому что часть энергии теряется на активном сопротивлении потерь Rк и постепенно оно отбирает и превращает в тепло или в излучения всю запасенную в контуре энергию. Отсюда следует: чтобы колебания в контуре стали незатухающими, нужно ликвидировать сопротивление потерь. Или каким-то образом его скомпенсировать.

Вы уже, конечно, вспомнили, что у нас в арсенале есть эффективное средство борьбы с сопротивлением — Rк. Это положительная обратная связь, которую мы уже применяли в регенеративном усилителе (рис. 99). Но только, если в усилителе обратная связь не должна полностью компенсировать потери, в генераторе потери должны быть скомпенсированы полностью.

Здесь-то как раз и проходит граница между усилителем и генератором. До тех пор, пока в контуре еще есть сопротивление Rк, мы имеем усилитель. Но как только это сопротивление исчезает, как только обратная связь полностью компенсирует все потери, усилитель становится генератором, в нем происходит самовозбуждение. Это значит, что на вход усилителя уже не нужно подавать управляющий сигнал (когда-то его называли «возбуждением», и отсюда слово «самовозбуждение»). Как только в контур попадет порция энергии — а это может произойти при любом толчке тока, например при включении питания, — то в контуре возникнут колебания, которые благодаря достаточно сильной обратной связи станут незатухающими. Рожденный в контуре и усиленный транзистором сигнал вновь возвращается в контур, чтобы участвовать в управлении работой транзистора. Транзистор сам создает для себя управляющий сигнал, работает в режиме самовозбуждения, а значит, генерирует незатухающий переменный ток. И, конечно же, поставщиком энергии для него, как всегда, является коллекторная батарея.

Чтобы автогенератор давал электрические колебания с неизменной амплитудой, нужно решить чрезвычайно сложную задачу: нужно, чтобы вносимое в контур отрицательное сопротивление было в точности равно собственному сопротивлению потерь, чтобы в контур через цепь обратной связи поступало ровно столько энергии, сколько нужно для компенсации потерь. Не меньше и не больше, потому что, если ввести в контур хоть чуть-чуть меньше энергии, чем нужно, колебания рано или поздно затухнут. А если ввести хоть немного лишней энергии, то амплитуда колебаний будет расти. Осуществить столь точную, ювелирную дозировку вводимой в контур энергии просто невозможно. Если даже в какой-то момент путем тщательнейшего подбора расстояния между контурной катушкой Lк и катушкой обратной связи Lксв удастся установить необходимый баланс, то уже через мгновение он по какой-либо причине окажется нарушенным. То ли легкая вибрация (например, из-за проехавшего по улице автомобиля) сдвинет катушки на какой-нибудь микрон, то ли напряжение батареи уменьшится на какой-нибудь микровольт, то ли сопротивление проводов увеличится на какие-то доли ома из-за легкого дуновения ветерка. Одним словом, автогенератор всегда находится в неустойчивом динамическом состоянии, и, для того чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной, нужно ввести некое автоматическое устройство, которое все время регулировало бы степень положительной обратной связи.

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.