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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Teoria: geradores de oscilações sinusoidais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Radioamador iniciante Um dos tipos de geradores de oscilação senoidal é usado para definir a frequência dos elementos RC. Tais geradores são bastante complexos, requerem medidas especiais para estabilizar a amplitude das oscilações e não possuem estabilidade de alta frequência. Os geradores com um circuito oscilatório paralelo como elemento de ajuste de frequência funcionam de maneira mais confiável e melhor - geralmente são chamados de geradores LC. Lembre-se de que um circuito oscilatório paralelo contém um capacitor e um indutor. Se um capacitor carregado for conectado a uma bobina, ocorrerão oscilações amortecidas no circuito resultante (Fig. 47). A sua frequência é determinada pela fórmula de Thomson: fo = 1/2π(LC)1/2.
As oscilações continuariam indefinidamente se não houvesse perdas de energia no circuito, por exemplo, na resistência ativa do fio da bobina. Além disso, alguns. mesmo que uma pequena parte da energia deva ser dada à carga do gerador! Quanto menor a perda de energia, maior o fator de qualidade do circuito, que é igual ao número de oscilações até que sua amplitude diminua cerca de 10 vezes. Este fato é pouco conhecido. As perdas em um capacitor de loop geralmente são pequenas em comparação com as perdas na bobina, de modo que o fator de qualidade do circuito é quase igual ao fator de qualidade da bobina, definido como a razão entre a reatância da bobina e o ativo. O fator de qualidade das bobinas de radiofrequência nas faixas DV, SV e KB geralmente fica na faixa de 30 ... 300, dependendo do tamanho e da qualidade do acabamento. Bobinas grandes enroladas para as faixas DV e SV com fio trançado especial (LZSHO - fio litz) ou fio grosso banhado a prata para a faixa KB geralmente têm um fator de alta qualidade. Reduzir significativamente o tamanho das bobinas, mantendo um alto fator de qualidade, permite circuitos magnéticos (núcleos) feitos de ferrita de alta frequência ou outro magnetodielétrico (magnetita, oxífero, ferro carbonílico). No entanto, ao usar tais bobinas em geradores, é necessário ficar atento à dependência da temperatura das propriedades do circuito magnético para não piorar a estabilidade da frequência do gerador. O fator de qualidade do circuito também determina a largura de sua curva ressonante. Caracteriza a dependência da amplitude das oscilações do circuito com a frequência quando ele é excitado por uma fonte externa de oscilações senoidais. A conexão da fonte com o circuito para obter resultados corretos deve ser muito fraca; quando a frequência de oscilação da fonte coincide com a frequência de ressonância do circuito, a amplitude de oscilação é máxima e, quando desafinada, diminui. A largura da curva de ressonância nos pontos onde a amplitude cai para 0,7 (em 3 dB) é inversamente proporcional ao fator de qualidade: 2Δf=f/Q (Fig. 47). A ideia principal de construir geradores com circuito LC é a seguinte: a perda de energia no circuito durante o processo de oscilação deve ser reposta por um elemento amplificador excitado do mesmo circuito, em total conformidade com a Fig. 44. Neste caso, duas condições devem ser atendidas: o equilíbrio das amplitudes e o equilíbrio das fases. A primeira condição exige que a energia fornecida ao circuito pelo elemento amplificador seja exatamente igual às perdas de energia no próprio circuito e nos circuitos de comunicação com a carga. Com um feedback mais fraco, as oscilações desaparecem e a geração pára, com um feedback mais forte, a amplitude aumenta e o elemento amplificador entra no modo de limitação ou é fechado pela tensão gerada pelo circuito de estabilização de amplitude. Em ambos os casos, o ganho é reduzido, restaurando o equilíbrio da amplitude. A condição de equilíbrio de fase é que as oscilações do elemento amplificador sejam fornecidas ao circuito em fase com o seu próprio. Portanto, o deslocamento de fase total no loop de realimentação deve ser zero. No entanto, um pequeno deslocamento de fase introduzido pelo amplificador pode ser compensado pelo circuito. O deslocamento de fase das oscilações no circuito (em relação às excitantes) é 0 na frequência de ressonância e atinge ±π/4 quando a frequência é dessintonizada por ±Δf de acordo com a característica de fase do circuito. Na presença de uma mudança de fase no elemento amplificador, as oscilações serão excitadas não na frequência ressonante, mas em algum lugar ao lado dela, o que, obviamente, é indesejável. Historicamente, o primeiro oscilador LC foi inventado por Meissner em 1913 (Sociedade Alemã de Telégrafo Sem Fio) e depois aprimorado por Round (empresa britânica Marconi). Ele usou feedback indutivo (Fig. 48).
As oscilações do circuito L2C2 alimentam a grade da lâmpada VL1. Sua corrente anódica, que muda no tempo com as oscilações do circuito, flui através da bobina de acoplamento e a energia das oscilações amplificadas flui de volta para o circuito. Para uma fase correta, ambas as bobinas devem ser ligadas conforme mostrado na figura (os inícios dos enrolamentos enrolados em uma direção são indicados por pontos). Você pode ajustar o feedback alterando a distância entre as bobinas. Para estabilizar a amplitude de oscilação, é usado um gridlick - a cadeia C3R1 (aliás, ainda não estava no primeiro gerador Meissner). Funciona assim: durante meios-períodos positivos de oscilações na grade, parte dos elétrons é atraída por ela e carrega o lado direito do capacitor C3 de acordo com o esquema com uma tensão negativa. Ele desloca o ponto de operação para um trecho menos inclinado da característica (o tubo fecha um pouco), e o ganho é reduzido. O resistor de "vazamento de grade" R1 permite que a carga acumulada drene para o cátodo, caso contrário, a lâmpada fecharia completamente. O capacitor C1 serve para fechar correntes de alta frequência a um fio comum ("terra") - afinal, não é necessário que elas fluam pela fonte de alimentação, criando interferência e interferência em outros elementos do dispositivo em que o gerador é usado. Mais tarde, a empresa americana Western Electric desenvolveu geradores mais simples e avançados - o indutivo "três pontos" Hartley (1915) e o capacitivo "três pontos" Colpitz (1918). Citamos deliberadamente os nomes dos inventores, pois os circuitos de seus geradores permaneceram praticamente inalterados por mais de três quartos de século, e os nomes "circuito Meissner" ou "circuito Colpitz" ainda são encontrados na literatura técnica sem explicar o que isso é. A base do elemento, no entanto, mudou significativamente e, como exemplo, considere um gerador feito de acordo com o esquema indutivo de três pontos (Hartley) em um moderno transistor de efeito de campo com uma porta isolada (Fig. 49).
De acordo com o princípio de operação, esse transistor é em muitos aspectos semelhante a um tubo de rádio de três eletrodos - um triodo, mas a corrente nele não flui no vácuo, mas na espessura de um semicondutor, onde um canal condutor foi criado tecnologicamente entre o dreno (saída superior de acordo com o circuito) e a fonte (saída inferior). A condutância do canal é controlada pela tensão da porta - um eletrodo localizado muito próximo ao canal, mas isolado dele. Quando uma tensão negativa é aplicada ao portão, seu campo "espreme" o canal, por assim dizer, e a corrente de dreno diminui. Se uma tensão positiva for aplicada e aumentar, a condutividade do canal aumenta e a corrente de dreno aumenta. De qualquer forma, não há corrente de porta, e isso tornou necessário complementar a grade C2R1 - o circuito de estabilização de amplitude - com diodos VD1, que detectam oscilações entrando na porta e criam um viés negativo à medida que sua amplitude aumenta. As oscilações são fornecidas ao portão do circuito L1C1, que determina a frequência do gerador. A vantagem de um transistor de efeito de campo é que sua impedância de entrada nas frequências de rádio é muito alta e praticamente não desvia o circuito sem introduzir perdas adicionais nele. O feedback é criado conectando a fonte do transistor a uma parte das voltas da bobina L1 (geralmente 1/3 a 1/10 do número total de voltas). O gerador funciona assim: com uma meia onda positiva de oscilações, a corrente do transistor aumenta na saída superior do circuito, que “joga” outra porção de energia no circuito. Na verdade, o transistor neste gerador é ligado por um seguidor de fonte, e a fase das oscilações na fonte coincide com a fase das oscilações na porta, o que garante o equilíbrio de fase. O coeficiente de transferência de tensão do seguidor é menor que a unidade, no entanto, a bobina em relação à fonte é incluída como um autotransformador elevador. Como resultado, o ganho total do loop de realimentação torna-se maior que a unidade, proporcionando equilíbrio de amplitude. Como outro exemplo, considere um gerador feito de acordo com o esquema capacitivo de "três pontos" em um transistor bipolar (Fig. 50). Na verdade, o gerador é montado no transistor VT1. Seu modo DC é definido pelo divisor no circuito base R1R2 e pela resistência do resistor emissor R3 (já consideramos esses circuitos na seção sobre amplificadores). O circuito oscilatório do gerador é formado por um indutor L1 e uma cadeia de três capacitores C1-C3 conectados em série. Não apenas o emissor, mas também a base do transistor são conectados aos taps do divisor capacitivo resultante. Isso é ditado pelo desejo de reduzir o desvio do circuito pelo transistor - afinal, a resistência de entrada de um transistor bipolar é relativamente pequena.
Na prática, as capacitâncias dos capacitores C2 e C3, desviando as transições do transistor, estão tentando escolher mais, e a capacitância C1 é o mínimo necessário para a ocorrência de oscilações. Isso melhora a estabilidade de frequência. O resto do gerador funciona da mesma maneira. como o anterior. A cascata no transistor VT2 - a chamada cascata do buffer - serve para enfraquecer a influência das cascatas subsequentes no gerador. O transistor é ligado por um seguidor de emissor e recebe uma polarização diretamente do emissor do transistor gerador VT1. Além disso, a conexão é enfraquecida pelo resistor R4. Todas as medidas tomadas permitem trazer a instabilidade de frequência relativa do gerador descrito para um valor tão pequeno quanto 0,001%, embora seja uma ordem de grandeza pior para geradores LC convencionais. Em receptores de transmissão e televisão, são utilizados geradores capacitivos de três pontos mais simples, um circuito típico de um dos quais é mostrado na Fig. 51.
Aqui, o circuito L1C3 está incluído no circuito coletor do transistor, a base é conectada em alta frequência ao fio comum através do capacitor C2 e o feedback é alimentado ao emissor através do divisor capacitivo C4C5. Ligar um transistor de acordo com um circuito de base comum permite obter frequências de geração especialmente altas próximas ao limite para esse tipo de transistor. O sinal do gerador é retirado da bobina de acoplamento L2. Autor: V.Polyakov, Moscou
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