Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы
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.
Устранить самовозбуждение усилителя можно, например, так: нужно добиться, чтобы в нем не выполнялось условие связи. А для этого, в свою очередь, нужно снизить усиление одного или нескольких каскадов, уменьшив, например, у них сопротивления нагрузки. Правда, такой способ борьбы с самовозбуждением трудно признать удачным, и, прежде чем прибегать к этой крайней мере, стоит поискать другие пути. Например, ввести дополнительные развязывающие фильтры; зашунтировать батарею конденсатором большой емкости; отсоединить цепи отрицательной обратной связи или, по крайней мере, изменить данные их деталей; поочередно замыкать выходные цепи транзисторов конденсаторами сравнительно небольшой емкости, по нескольку тысяч пикофарад; пробовать увеличить емкость переходных конденсаторов, и др.
Генерация может возникать и в усилителе ВЧ, причем здесь для выполнения обоих условий самовозбуждения не так уж много надо. Сигнал нужной фазы и нужного уровня может, например, попадать из выходной цепи во входную через какую-нибудь паразитную емкость, образованную двумя близко расположенными проводами. Или через общее магнитное поле двух неудачно расположенных катушек. К сожалению, генерация в усилителе ВЧ не всегда проявляет себя в виде специфического «писка». Может так случиться, что усилитель ВЧ возбуждается, на слух это не обнаруживается, а приемник в результате такого самовозбуждения не работает. Чтобы найти и устранить самовозбуждение усилителя ВЧ, нужно попробовать уменьшить усиление каскадов, а может быть, временно даже отключить один из них.
Устранение паразитного самовозбуждения усилителя во всех случаях — дело не простое и кропотливое. Оно требует терпения и, самое главное, понимания физических процессов, с которыми связано превращение усилителя в генератор.
Существует целый ряд генераторов, которые дают колебания не синусоидальной, а сложной формы, например прямоугольные импульсы, пилообразное напряжение, прерывистые, как бы модулированные колебания и т. п. Несмотря на изменение формы тока, принцип действия всех генераторов остается неизменным: положительная обратная связь приводит к тому, что электрические колебания, используя энергию коллекторной батареи, сами себя поддерживают, создают непрерывный процесс, в результате которого меняется коллекторный ток транзистора.
Один из весьма популярных генераторов колебаний сложной формы — это мультивибратор. Само его название, переведенное на русский язык, означает «генератор, создающий много разных колебаний». В распространенной схеме мультивибратора работают два транзистора, причем выход одного из них связан со входом другого (рис. 117).
Рис. 117. В мультивибраторе колебания возникают в результате поочередного запирания транзисторов.
Это приводит к тому, что транзисторы поочередно открываются и запираются: если один из них запирается, то он отпирает своего запертого соседа, а тот, в свою очередь, открывшись, запирает своего избавителя, открываясь при этом сам. Процесс этот происходит непрерывно, чем-то напоминая перебрасывание мяча через волейбольную сетку (слова «отпирается» и «запирается» применительно к транзистору, как всегда, означают пропускание коллекторного тока под действием «минуса» на базе и прекращение этого тока под действием «плюса»). Частота колебаний, которые дает мультивибратор, зависит от того, настолько быстро происходит заряд и разряд конденсаторов С' и С. Изменяя емкость этих конденсаторов, а также сопротивление резисторов R'б и Rб, через которые происходит заряд и разряд конденсаторов, можно в довольно широких пределах менять частоту колебаний.
Рассмотрим несколько практических схем транзисторных генераторов.
Простейший генератор, выполненный по трехточечной схеме с индуктивной обратной-связью (рис. 118—1), может заменить в вашей квартире электрический звонок.
рис. 118—1
Роль контурной катушки с отводом в таком звонке выполняет автотрансформатор, намотанный на любом сердечнике сечением 3 см2 (можно взять, например, сердечник от трансляционного громкоговорителя). Данные секций: Iв содержит 25 витков, Iа и Iб — по 35 витков провода ПЭ 0,45. Непосредственно к секции Iв подключен низкоомный громкоговоритель. Частоту колебаний можно менять, подбирая емкость конденсатора С1, который входит в колебательный контур.
Следующий генератор (рис. 118—2) дает прерывистые колебания звуковой частоты, чем-то напоминающие сигналы нашего первого спутника, знаменитое «Бип-бип-бип…». Сам генератор звуковой частоты собран по трехточечной схеме с емкостной обратной связью. В качестве катушки L1 можно включить обмотку выходного или согласующего трансформатора.
рис. 118—2
Прерывистая генерация получается благодаря периодическому запиранию транзистора Т1 напряжением, которое появляется на R*3. После того как транзистор запрется и колебания срываются, запирающее напряжение падает, и транзистор вновь открывается. Частота отпирания транзистора, а значит, и частота появления «пакетов» звуковых колебаний зависят от данных зарядной цепочки R3С3. Подбором этих деталей можно добиться того, что звуковые сигналы будут появляться один — три раза в секунду. Частота звуковых колебаний, то есть сам тон звука, в основном определяется деталями контура L1C2. При налаживании генератора может оказаться полезным заземлить базу Т1 через конденсатор в несколько микрофарад. На транзисторе Т2 собран усилитель, в коллекторную цепь которого включается телефонный капсуль или громкоговоритель с выходным трансформатором.
