Anwendung der Transistorgeneratorphysik. Transistorgenerator

Freie Schwingungen werden aufgrund von Energieverlusten (Reibung, Medienwiderstand, Leiterwiderstand) immer gedämpft elektrischer Strom usw.). Mittlerweile werden sowohl in der Technik als auch in physikalischen Experimenten dringend ungedämpfte Schwingungen benötigt, deren Periodizität gleich bleibt, solange das System überhaupt schwingt. Wie entstehen solche Schwingungen? Wir wissen, dass erzwungene Schwingungen, bei denen Energieverluste durch die Arbeit einer periodischen äußeren Kraft ausgeglichen werden, ungedämpft sind. Aber wo Nehmen Sie eine externe periodische Kraft? Schließlich bedarf es wiederum einer Quelle ungedämpfter Schwingungen.

Ungedämpfte Schwingungen werden von Geräten selbst erzeugt können ihre Schwingungen aufrechterhalten aufgrund einer konstanten Energiequelle. Solche Geräte heißen selbstschwingende Systeme. In Abb. 55 zeigt ein Beispiel für ein solches elektromechanisches Gerät. Das Gewicht hängt an einer Feder, deren unteres Ende in einen Quecksilberbecher getaucht wird, wenn dieses Federpendel schwingt. Ein Pol der Batterie ist mit der Feder oben verbunden, der andere mit dem Quecksilbergefäß. Beim Absenken der Last wird der Stromkreis geschlossen und Strom fließt durch die Feder. Durch das Magnetfeld des Stroms beginnen sich die Windungen der Feder gegenseitig anzuziehen, die Feder wird zusammengedrückt und die Last erhält einen Aufwärtsschub. Dann wird der Kontakt unterbrochen, die Spulen hören auf, sich zu spannen, die Last fällt wieder ab und der gesamte Vorgang wiederholt sich erneut.

So wird die Schwingung eines Federpendels, die von selbst aussterben würde, durch periodische Stöße aufrechterhalten, verursacht durch die Schwingung des Pendels selbst. Bei jedem Schub gibt der Akku einen Teil der Energie ab, der zum Teil zum Heben der Last genutzt wird. Das System selbst kontrolliert die auf es einwirkende Kraft und reguliert den Energiefluss von der Quelle – der Batterie. Die Schwingungen klingen nicht gerade deshalb ab, weil in jeder Periode genau so viel Energie aus der Batterie entnommen wird, wie in derselben Zeit für Reibung und andere Verluste aufgewendet wird. Die Periode dieser ungedämpften Schwingungen stimmt praktisch mit der Periode der Eigenschwingungen der Belastung der Feder überein, d. h. sie wird durch die Steifigkeit der Feder und die Masse der Belastung bestimmt.

In ähnlicher Weise kommt es bei einer elektrischen Glocke zu ungedämpften Schwingungen eines Hammers, mit dem einzigen Unterschied, dass dort periodische Stöße durch einen separaten Elektromagneten erzeugt werden, der einen am Hammer montierten Anker anzieht. Auf ähnliche Weise kann man Selbstschwingungen mit Schallfrequenzen erzeugen, indem man beispielsweise eine Stimmgabel zu ungedämpften Schwingungen anregt (Abb. 56). Wenn sich die Schenkel der Stimmgabel auseinanderbewegen, kommt es zu einem Kontakt 1; durch die Elektromagnetwicklung 2 Strom fließt und der Elektromagnet zieht an den Beinen der Stimmgabel. In diesem Fall öffnet sich der Kontakt und dann wiederholt sich der gesamte Zyklus. Der Phasenunterschied zwischen der Schwingung und der Kraft, die sie reguliert, ist für die Entstehung von Schwingungen äußerst wichtig. Lassen Sie uns den Kontakt übertragen 1 von der Außenseite des Stimmgabelschenkels nach innen. Der Verschluss erfolgt nun nicht mehr, wenn die Beine auseinanderlaufen, sondern wenn die Beine sich nähern, d. h. der Zeitpunkt, an dem der Elektromagnet eingeschaltet wird, ist im Vergleich zum vorherigen Experiment um eine halbe Periode vorverlegt. Es ist leicht zu erkennen, dass in diesem Fall die Stimmgabel durch einen ständig eingeschalteten Elektromagneten ständig komprimiert wird, d. h. es treten überhaupt keine Schwingungen auf.

Elektromechanische selbstschwingende Systeme werden in der Technik sehr häufig eingesetzt, rein mechanische selbstschwingende Geräte sind jedoch nicht weniger verbreitet und wichtig. Es reicht aus, auf ein beliebiges Uhrwerk zu verweisen. Die ungedämpften Schwingungen eines Pendels oder einer Unruhuhr werden durch die potentielle Energie eines angehobenen Gewichts oder durch die elastische Energie einer aufgezogenen Feder unterstützt.

Selbstschwingungen sind auch Schwingungen einer Saite unter der Wirkung eines Bogens (im Gegensatz zu den freien Schwingungen einer Saite bei einem Klavier, einer Harfe, einer Gitarre und anderen Saiteninstrumenten ohne Streichstrich, die durch einen einzigen Stoß oder Ruck angeregt werden); Zu den Selbstschwingungen zählen der Klang von Blasmusikinstrumenten, die Bewegung des Kolbens einer Dampfmaschine und viele andere periodische Prozesse.

Ein charakteristisches Merkmal von Selbstschwingungen ist, dass ihre Amplitude durch die Eigenschaften des Systems selbst bestimmt wird und nicht durch die anfängliche Auslenkung oder den anfänglichen Stoß, wie bei freien Schwingungen. Wird beispielsweise das Pendel einer Uhr zu stark ausgelenkt, sind die Reibungsverluste größer als der Energieeintrag des Aufzugsmechanismus und die Amplitude nimmt ab. Im Gegenteil: Wenn die Amplitude verringert wird, führt die überschüssige Energie, die das Laufrad auf das Pendel überträgt, zu einer Vergrößerung der Amplitude. Die Amplitude, bei der Energieverbrauch und -versorgung ausgeglichen sind, wird automatisch ermittelt.

Geräte, die zusammenfassend als selbstschwingende Systeme bezeichnet werden, zeichnen sich durch die folgenden besonderen Eigenschaften aus.

Selbstschwingende Systeme sind in der Lage, ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen. Diese Schwingungen können harmonisch (sinusförmig) oder komplexer geformt sein, sie können jedoch unbegrenzt andauern, bis die Elemente, aus denen das System besteht, versagen.

Selbstschwingende Systeme unterscheiden sich von einem Schwingkreis mit einem Widerstand gleich Null. Eine solche Schaltung stellt einen Extremfall dar, der in der Praxis nicht realisierbar ist. Selbstschwingende Systeme sind reale Geräte, deren Widerstand nicht Null ist.

Bei selbstschwingenden Systemen entstehen ungedämpfte Schwingungen unter dem Einfluss von innerhalb des Systems ablaufenden Prozessen, für deren Aufrechterhaltung keine äußeren Einflüsse erforderlich sind. In dieser Hinsicht unterscheiden sich Eigenschwingungen grundlegend von erzwungenen Schwingungen, die zwar auch ungedämpft sein können, für ihre Existenz aber periodische äußere Einflüsse (in der Mechanik – äußere Kräfte, in der Elektrizität – von außen angelegte Spannungen) erfordern.

Selbstschwingende Systeme umfassen eine Energiequelle (bei mechanischen Schwingungen eine komprimierte Feder, eine angehobene Last usw., bei elektrischen Schwingungen eine Batterie oder eine andere Stromquelle). Diese Quelle wird vom System selbst periodisch eingeschaltet und führt ihm eine bestimmte Energie zu, wodurch Verluste durch die Freisetzung von Joule-Lenz-Wärme ausgeglichen werden, wodurch die Schwingungen ungedämpft werden.

Da Schwingungen in selbstschwingenden Systemen unter dem Einfluss von innerhalb des Systems ablaufenden Prozessen entstehen, entstehen sie spontan (Selbsterregung) unter dem Einfluss zufälliger kleiner Einflüsse, die das System aus dem Gleichgewicht bringen (Schwankungen). Die spontan auftretenden kleinen Schwingungen verstärken sich, und schließlich bilden sich im System stetige Schwingungen, deren Eigenschaften (Frequenz, Intensität, Form) durch die Parameter des Systems bestimmt werden und nicht von den Anfangsbedingungen abhängen.

Wie erzeugt man ungedämpfte Schwingungen in einem Stromkreis? Es ist bekannt, dass beim Laden des Kondensators eines Schwingkreises gedämpfte Schwingungen im Stromkreis auftreten. Am Ende jeder Schwingungsperiode ist die Ladung auf den Kondensatorplatten geringer als zu Beginn der Periode. Die Gesamtladung bleibt natürlich erhalten (sie ist immer Null), aber die positive Ladung einer Platte und die negative Ladung der anderen nehmen um gleich große Werte ab. Dadurch nimmt die Schwingungsenergie ab, da sie proportional zum Quadrat der Ladung auf einer der Kondensatorplatten ist. Um ein Abklingen der Schwingungen zu verhindern, ist es notwendig, die Energieverluste für jede Periode auszugleichen.

Sie können die Energie im Stromkreis wieder auffüllen, indem Sie den Kondensator aufladen. Dazu müssen Sie den Stromkreis regelmäßig an eine Konstantspannungsquelle anschließen. Der Kondensator sollte nur in den Zeitintervallen an die Quelle angeschlossen werden, in denen die mit dem Pluspol der Quelle verbundene Platte positiv und die mit dem Minuspol verbundene Platte negativ geladen ist (Abb. 4.21). Nur in diesem Fall lädt die Quelle den Kondensator wieder auf und füllt seine Energie auf.

Wenn der Schalter in dem Moment geschlossen ist, in dem die mit dem Pluspol der Quelle verbundene Platte eine negative Ladung und die mit dem Minuspol verbundene Platte eine positive Ladung hat, wird der Kondensator über die Quelle entladen (Abb. 4.22). ). Die Energie des Kondensators nimmt ab.

Folglich kann eine Konstantspannungsquelle, die ständig an einen Schaltungskondensator angeschlossen ist, keine ungedämpften Schwingungen darin unterstützen, ebenso wie eine konstante Kraft keine mechanischen Schwingungen unterstützen kann. Während der Hälfte der Periode gelangt Energie in den Kreislauf und während der nächsten Hälfte der Periode kehrt sie zur Quelle zurück. Ungedämpfte Schwingungen werden im Stromkreis nur dann erzeugt, wenn die Quelle während der Zeitintervalle, in denen Energie an den Kondensator übertragen werden kann, an den Stromkreis angeschlossen ist. Dazu ist es notwendig, die automatische Betätigung des Schlüssels (oder Ventils, wie es oft genannt wird) sicherzustellen. Bei hohen Schwingfrequenzen muss der Schlüssel zuverlässig funktionieren. Als solcher nahezu trägheitsloser Schalter wird ein Transistor eingesetzt.

Ein Transistor besteht aus drei verschiedenen Halbleitern: einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor. Der Emitter und der Kollektor haben die gleichen Mehrheitsladungsträger, wie zum Beispiel Löcher (es handelt sich um einen Halbleiter vom p-Typ), und die Basis hat Mehrheitsträger mit entgegengesetztem Vorzeichen, wie zum Beispiel Elektronen (ein Halbleiter vom n-Typ). Eine schematische Darstellung des Transistors ist in Abbildung 4.23 dargestellt.

Betrieb eines Generators mit einem Transistor. Eine vereinfachte Transistor-Oszillatorschaltung ist in Abbildung 4.24 dargestellt. Der Schwingkreis ist mit einer Spannungsquelle und einem Transistor in Reihe geschaltet, so dass am Emitter ein positives Potential und am Kollektor ein negatives Potential anliegt. In diesem Fall ist der Emitter-Basis-Übergang (Emitterübergang) direkt und der Basis-Kollektor-Übergang (Kollektorübergang) umgekehrt und es fließt kein Strom im Stromkreis. Dies entspricht dem offenen Schalter in den Abbildungen 4.21, 4.22.

Damit im Schaltkreis ein Strom entsteht und der Schaltkreiskondensator während der Schwingungen aufgeladen wird, ist es notwendig, die Basis mit einem Potential negativ gegenüber dem Emitter zu versorgen und in den Zeitintervallen, in denen der obere (siehe Abb. 4.24) Kondensator Die Platte ist positiv und die untere Platte negativ geladen. Dies entspricht dem geschlossenen Schlüssel in Abbildung 4.21.

Während der Zeitintervalle, in denen die obere Platte des Kondensators negativ und die untere Platte positiv geladen ist, sollte im Schaltkreis kein Strom fließen. Dazu muss die Basis gegenüber dem Emitter ein positives Potenzial haben.

Um den Verlust an Schwingungsenergie im Stromkreis auszugleichen, muss die Spannung am Emitterübergang periodisch das Vorzeichen ändern, und zwar genau in Übereinstimmung mit den Spannungsschwankungen im Stromkreis. Gefragt ist, wie man sagt, Feedback.

Die Rückkopplung im betrachteten Generator ist induktiv. Eine Induktivitätsspule Lsv ist mit dem Emitterübergang verbunden und induktiv mit der Induktivitätsspule L des Schaltkreises gekoppelt. Schwingungen im Stromkreis aufgrund elektromagnetischer Induktion regen Spannungsschwankungen an den Enden der Spule und damit am Emitterübergang an. Wenn die Phase der Spannungsschwingungen am Emitterübergang richtig gewählt ist, wirken die „Witze“ des Stroms im Stromkreis in den erforderlichen Zeitintervallen auf den Stromkreis ein und die Schwingungen klingen nicht ab. Im Gegenteil nimmt die Amplitude der Schwingungen im Stromkreis zu, bis die Energieverluste im Stromkreis durch die Energiezufuhr aus der Quelle genau ausgeglichen werden. Diese Amplitude ist umso größer, je höher die Quellenspannung ist. Eine Erhöhung der Spannung führt zu erhöhten Stromstößen, die den Kondensator wieder aufladen.

Generatoren mit Transistoren werden nicht nur in vielen Funkgeräten häufig verwendet: Funkempfänger, Senderadiosender, Verstärker usw., sondern auch in modernen elektronischen Computern.

Grundelemente eines selbstschwingenden Systems. Am Beispiel eines Transistorgenerators können wir die Hauptelemente hervorheben, die für viele selbstschwingende Systeme charakteristisch sind (Abb. 4.25).

1. Eine Energiequelle, die ungedämpfte Schwingungen aufrechterhält (bei einem Transistorgenerator ist dies eine Konstantspannungsquelle).

2. Ein schwingfähiges System ist der Teil eines selbstschwingenden Systems, in dem Schwingungen direkt auftreten (bei einem Transistorgenerator ist dies ein Schwingkreis).
3. Das Gerät, das die Energiezufuhr von der Quelle zum Schwingsystem regelt, ist ein Ventil (im betrachteten Generator übernimmt ein Transistor die Rolle des Ventils).
4. Gerätebereitstellung Rückmeldung, mit deren Hilfe das Schwingsystem das Ventil steuert (im Transistorgenerator besteht eine induktive Verbindung zwischen der Schaltungsspule und der Spule im Emitter-Basis-Kreis).

Fragen: (Machen Sie eine Zusammenfassung in Ihrem Notizbuch, indem Sie sie beantworten!)

1. Was ist ein selbstschwingendes System?

2. Was ist der Unterschied zwischen Selbstschwingungen und erzwungenen und freien Schwingungen?

3. Wie funktioniert ein Transistor?

4. Welche Rolle spielt der Transistor bei der Erzeugung von Selbstschwingungen?

5. Wie erfolgt die Rückkopplung bei einem Transistorgenerator?

6. Geben Sie die Hauptelemente eines selbstschwingenden Systems an.

7. Welche Schwingungen nennt man ungedämpft?

8. Welche Schwingungen werden als erzwungen bezeichnet?

9. Beschreiben Sie, wie es zu Eigenschwingungen eines Federpendels kommt.

10. Wo werden selbstschwingende Systeme eingesetzt?

11. Geben Sie das charakteristische Merkmal von Selbstschwingungen an.

12. Geben Sie die Eigenschaften selbstschwingender Systeme an (gemäß den Punkten 1,2,3 usw., so viele wie es gibt)

13. Welche Rolle spielt die Energiequelle beim Aufbau eines selbstschwingenden Systems?

14. Geben Sie die Gründe an, die zur Dämpfung von Schwingungen führen (schreiben Sie es selbst, nicht in diesem Text).

15. Zeichnen Sie ein Diagramm und beschreiben Sie den Prozess der Erzeugung kontinuierlicher Schwingungen im Stromkreis.

16. Wofür wird der Transistor in einem Generator verwendet?

17. Warum ist Feedback erforderlich?

18. Zeichnen Sie ein Diagramm und beschreiben Sie Schritt für Schritt den Betrieb eines Transistorgenerators.

Aufgaben zum Thema „Elektrische Schwingungen“ (SEPARATE MARKIERUNG FÜR LÖSUNG)

1.1259. Ein Flachplattenkondensator besteht aus zwei runden Platten mit einem Durchmesser von 8 cm. Zwischen den Platten ist eine 5 mm dicke Glasplatte eingelegt. Die Kondensatorplatten sind über eine Spule mit einer Induktivität von 0,02 H verbunden. Bestimmen Sie die Frequenz der in diesem Stromkreis auftretenden Schwingungen.

2. 1260. Der Schwingkreis besteht aus einer Spule mit einer Induktivität von 0,003 H und einem Flachkondensator. Die Kondensatorplatten in Form von Scheiben mit einem Radius von 1,2 cm haben einen Abstand von 0,3 mm zueinander. Bestimmen Sie die Periode der Eigenschwingungen des Stromkreises. Wie groß ist die Schwingungsdauer, wenn der Kondensator mit einem Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstante 4 gefüllt ist?

3. 1261. Eine Spule mit einer Induktivität von 30 μH ist mit einem Parallelplattenkondensator mit einer Plattenfläche von 0,01 m und einem Abstand zwischen ihnen von 0,1 mm verbunden. Ermitteln Sie die Dielektrizitätskonstante des Mediums, das den Raum zwischen den Platten ausfüllt, wenn die Schaltung auf eine Frequenz von 400 kHz abgestimmt ist.

4. 1262. Innerhalb welcher Grenzen sollte sich die elektrische Kapazität des Kondensators im Schwingkreis ändern, damit in ihm Schwingungen mit einer Frequenz von 400 bis 500 Hz auftreten können? Die Induktivität der Schleifenspule beträgt 16 mH.

5. 1263. Innerhalb welcher Grenzen darf sich die Induktivität der Schwingkreisspule ändern, damit in ihr Schwingungen mit einer Frequenz von 400 bis 500 Hz auftreten können? Die Kapazität des Kondensators beträgt 10 nF.

Inhalt:

Der Zweck der Lektion: sich eine Vorstellung von Selbstschwingungen machen; Verschiedene Frequenzen werden durch selbstschwingende Systeme erzeugt; ohne sie wäre die moderne Radiokommunikation und das Fernsehen nicht möglich.

Fortschritt

Überprüfen Sie die Hausaufgaben, indem Sie die Tabelle ausfüllen

— Auf den an die Schüler verteilten Karten sind die richtigen Antworten zufällig auf der rechten Seite angeordnet; Auf der linken Seite sind Formeln, Gesetze und Mengenausdrücke zum untersuchten Thema geschrieben.

Innerhalb von 7 Minuten müssen Sie die richtigen Antwortcodes aufschreiben und die Arbeit beim Lehrer abgeben.

	Magnetfeldenergie		Im=Ähm/R
	Elektrische Feldenergie		XC= 1/ωC
	Gesamtenergie des Schwingkreises
	Die Grundgleichung, die freie Schwingungen in einem Stromkreis beschreibt		Im= qmω
	Thomsons Formel		u= Umsinωt
	Gesetz der Änderung der elektrischen Ladung		T= 2π/ω0= ZITAT
	Gesetz der Änderung der Stromstärke		q′′= — q/ LC
	Aktuelle Amplitude		I= Ich/Zitat
	Gesetz der Spannungsänderung		XL = ωL
	Magnetischer Induktionsfluss		q= qmcosω0t
	Aktiver Widerstand in einem Stromkreis mit einem Widerstand		W=Zitat +Zitat
	Aktueller Effektivwert		Ф= BScosωt
	RMS-Spannung		I =Imsin(ωt+φ)
	Kapazitätsformel		R = Ähm/Im
	Formel für induktive Reaktanz
	Stromamplitude bei Resonanz		Wk= Li2/2
	Strom in einem Stromkreis mit einem Widerstand		U=Ähm/Zitat

Antwortcode: 1- 16; 2- 3; 3-11; 4-7; 5-6; 6-10; 7-13; 8- 4; 9-5; 10-12; 11-14; 12-8; 13-17; 14- 2; 15-9; 16- 1; 17-15/

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Wiederholung mechanischer Eigenschwingungen.

1. Selbstschwingende Systeme.

Wenn in einem System, in dem freie elektromagnetische Schwingungen auftreten können,

Platziert man eine Energiequelle und regelt das System selbst die Energiezufuhr portionsweise, so treten ungedämpfte Schwingungen auf.

Die Systeme heißen selbstoszillierend, wenn in ihnen durch Energiezufuhr aus einer systeminternen Quelle ungedämpfte Schwingungen entstehen.

Ein Transistorgenerator ist ein selbstschwingendes System.

2. Wie erzeugt man ungedämpfte Schwingungen in einem Stromkreis?

Es muss sichergestellt werden, dass das Ventil oder der Schlüssel automatisch funktioniert.

Das Ventil muss einen großen...
Geschwindigkeit. Diese Arbeit des trägheitsfreien Ventils übernimmt ein Transistor, der aus 3 Halbleitern besteht: einem Kollektor,

Emitter und Basis. Emitter und Kollektor haben die gleichen Mehrheitsladungsträger;

die Hauptträger der Basis haben das umgekehrte Vorzeichen.

3. Betrieb eines Generators mit einem Transistor.

Im Diagramm sehen wir, dass der Schwingkreis in Reihe mit einer Spannungsquelle geschaltet ist, und dann gibt es einen Transistor.

Am Kollektor liegt ein negatives Potential, am Emitter ein positives Potential an.

Der Basis-Kollektor-Übergang ist umgekehrt (es fließt kein Strom im Stromkreis); In diesem Fall erweist sich der Emitter-Basis-Übergang als direkt. Was dem offenen Schlüssel in den Diagrammen entspricht.

Damit im Stromkreis Strom entsteht und der Kondensator aufgeladen wird, muss die Basis gegenüber dem Emitter mit einem negativen Potenzial versehen werden. Dies entspricht dem geschlossenen Schlüssel im Diagramm. Um Energieverluste im Stromkreis auszugleichen, wird die Spannung am Emitterübergang erhöht

muss ständig das Vorzeichen wechseln, um Feedback zu geben.

In diesem Fall kommt es aufgrund der induktiven Kopplung der Spulen zu einer Rückkopplung. Eine der Kerben befindet sich im Stromkreis, die andere ist mit dem Emitterübergang verbunden.

Um zu verhindern, dass Schwingungen im Stromkreis gedämpft werden, muss die Phase der Spannungsschwingungen am Emitterübergang so gewählt werden, dass in den erforderlichen Zeitintervallen Strom-„Witze“ auf den Stromkreis einwirken.

Die Schwingungsfrequenz im Stromkreis hängt von der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators ab.

ω0=1 / ZITAT

Je geringer die Induktivität und Kapazität, desto höher die Schwingfrequenz

Transistorgeneratoren werden häufig in Funkgeräten und elektronischen Computern verwendet.

4. Grundelemente eines selbstschwingenden Systems.

Lassen Sie uns die Hauptelemente hervorheben, die in vielen selbstoszillierenden Systemen verwendet werden.

Vertiefung des untersuchten Themas

1. Wo treten Selbstschwingungen auf?

2. Wie unterscheiden sich Selbstschwingungen von freien und erzwungenen Schwingungen?

3. Beschreiben Sie die Rolle des Transistors bei der Erzeugung von Selbstschwingungen?

4. Was ist Rückkopplung und wie wird sie in einem Transistorgenerator implementiert?

5. Identifizieren Sie die Elemente eines selbstschwingenden Systems.

Fassen wir die Lektion zusammen

Hausaufgaben: § 36, Abs. §34, Nr. 971, 976.

Betrieb eines Generators mit einem Transistor. 1. Damit im Stromkreis ein Strom entsteht und der Stromkreiskondensator während der Schwingungen aufgeladen wird, ist es notwendig, die Basis mit einem „-“-Potential relativ zum Emitter zu versorgen und während dieser Zeitintervalle, wenn die obere Platte des Kondensators wird mit „+“ geladen und die Bodenplatte wird mit „-“ geladen. Dies entspricht einem geschlossenen Schlüssel. 2. Um den Verlust an Schwingungsenergie im Stromkreis auszugleichen, muss die Spannung am Emitterübergang periodisch das Vorzeichen ändern, und zwar streng entsprechend den Spannungsschwankungen im Stromkreis. 3. Feedback ist erforderlich.

Folie 11 aus der Präsentation „Selbstschwingungen“ für den Physikunterricht zum Thema „Schwingungsarten“

Abmessungen: 960 x 720 Pixel, Format: jpg. Um eine kostenlose Folie zur Verwendung im Physikunterricht herunterzuladen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Bild und klicken Sie auf „Bild speichern unter...“. Sie können die gesamte Präsentation „Self-oscillations.pptx“ in einem 136 KB großen Zip-Archiv herunterladen.

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Arten von Vibrationen

„Gedämpfte Schwingungen“ – Folglich ist die Bewegung aperiodischer (nicht periodischer) Natur – das aus der Gleichgewichtslage entfernte System kehrt ohne Schwingungen in die Gleichgewichtslage zurück. hört auf, periodisch zu sein. Thema: Gedämpfte Schwingungen. Freie gedämpfte Schwingungen in einem elektrischen Schwingkreis; 26.27.

„Selbstschwingungen“ – Generator hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen. Der Begriff Selbstschwingungen wurde von A. Eine Uhr als selbstschwingendes System in die russische Terminologie eingeführt. Selbstschwingungen sind ungedämpfte Schwingungen in einem dissipativen dynamischen System mit nichtlinearer Rückkopplung, unterstützt durch die Energie eines konstanten, also nichtperiodischen äußeren Einflusses.

„Physik „Harmonische Schwingungen““ – Dämpfungskoeffizient. Bewegung von einem Ausgangspunkt zur Rückkehr zum gleichen Punkt. Gedämpfte Schwingungen sind nichtperiodische Schwingungen. Ladung auf der Kondensatorplatte. Maximalwerte. Die Dämpfung ist normalerweise durch eine logarithmische Abnahme gekennzeichnet. Eine andere Art von Resonanz. Gleichung gedämpfter Schwingungen in einem Stromkreis.

„Harmonische Schwingungen und Pendel“ – Freie Schwingungen. Pendel. Prozesse. Teilen wir die Gleichung. Periodische Schwingbewegung. Das Konzept eines rotierenden Vektors. Energie der harmonischen Schwingungsbewegung. Pendel. Leber. Schwingsystem. Materieller Punkt. Harmonische Schwingung mit einer Anfangsphase. Beschleunigung bei harmonischen Schwingungen.

„Harmonische Schwingungen“ – Der rotierende Amplitudenvektor charakterisiert vollständig harmonische Schwingung. 3. Die Phasendifferenz ändert sich im Laufe der Zeit auf willkürliche Weise. Die Amplitude A der resultierenden Schwingung hängt von der Differenz der Anfangsphasen ab. Mithilfe der Vektoradditionsregel ermitteln wir die Gesamtamplitude der resultierenden Schwingung: Solche Schwingungen nennt man linear polarisiert.

Funkamateure müssen verschiedene Funksignale empfangen. Dies erfordert das Vorhandensein eines Niederfrequenz- und Hochfrequenzgenerators. Dieser Gerätetyp wird aufgrund seines Konstruktionsmerkmals oft als Transistorgenerator bezeichnet.

Weitere Informationen. Ein Stromgenerator ist ein selbstschwingendes Gerät, das zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Netzwerk oder zur Umwandlung einer Energieart in eine andere mit einem bestimmten Wirkungsgrad entwickelt und verwendet wird.

Selbstoszillierende Transistorgeräte

Der Transistorgenerator ist in mehrere Typen unterteilt:

entsprechend dem Frequenzbereich des Ausgangssignals;
nach Art des erzeugten Signals;
nach dem Aktionsalgorithmus.

Der Frequenzbereich wird üblicherweise in folgende Gruppen eingeteilt:

30 Hz–300 kHz – niedriger Bereich, als niedrig bezeichnet;
300 kHz–3 MHz – mittlerer Bereich, bezeichneter Mittelbereich;
3–300 MHz – hoher Bereich, bezeichnet als HF;
mehr als 300 MHz – Ultrahochbereich, bezeichnet als Mikrowelle.

So teilen Funkamateure die Reichweiten ein. Für Audiofrequenzen nutzen sie den Bereich 16 Hz-22 kHz und unterteilen ihn ebenfalls in niedrige, mittlere und hohe Gruppen. Diese Frequenzen sind in jedem Haushalts-Audioempfänger vorhanden.

Nach der Art der Signalausgabe ergibt sich folgende Einteilung:

sinusförmig – ein Signal wird sinusförmig ausgegeben;
funktional – die Ausgangssignale haben eine speziell festgelegte Form, zum Beispiel rechteckig oder dreieckig;
Rauschgenerator – am Ausgang wird ein einheitlicher Frequenzbereich beobachtet; Die Bereiche können je nach Verbraucherbedürfnissen variieren.

Transistorverstärker unterscheiden sich in ihrem Betriebsalgorithmus:

RC – Hauptanwendungsbereich – Tieftonbereich und Audiofrequenzen;
LC – Hauptanwendungsgebiet – hohe Frequenzen;
Sperroszillator – wird zur Erzeugung von Impulssignalen mit hohem Tastverhältnis verwendet.

Bild auf Schaltplänen

Betrachten wir zunächst den Erhalt eines sinusförmigen Signals. Der bekannteste Oszillator, der auf einem Transistor dieses Typs basiert, ist der Colpitts-Oszillator. Dies ist ein Master-Oszillator mit einer Induktivität und zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Es dient zur Erzeugung der benötigten Frequenzen. Die übrigen Elemente sorgen für die erforderliche Betriebsart des Transistors bei Gleichstrom.

Weitere Informationen. Edwin Henry Colpitz war zu Beginn des letzten Jahrhunderts Leiter der Innovationsabteilung bei Western Electric. Er war ein Pionier in der Entwicklung von Signalverstärkern. Zum ersten Mal stellte er ein Funktelefon her, das Gespräche über den Atlantik ermöglichte.

Weithin bekannt ist auch der Hartley-Masteroszillator. Es ist, wie die Colpitts-Schaltung, recht einfach zusammenzubauen, erfordert jedoch eine angezapfte Induktivität. In der Hartley-Schaltung erzeugen ein Kondensator und zwei in Reihe geschaltete Induktivitäten Strom. Die Schaltung enthält außerdem eine zusätzliche Kapazität, um eine positive Rückkopplung zu erreichen.

Haupteinsatzgebiet der oben beschriebenen Geräte sind mittlere und hohe Frequenzen. Sie dienen zur Gewinnung von Trägerfrequenzen sowie zur Erzeugung elektrischer Schwingungen geringer Leistung. Auch Empfangsgeräte von Haushaltsradiosendern nutzen Oszillatoren.

Alle aufgeführten Anwendungen tolerieren keinen instabilen Empfang. Dazu wird ein weiteres Element in den Stromkreis eingeführt – ein Quarzresonator aus Selbstschwingungen. In diesem Fall erreicht die Genauigkeit des Hochfrequenzgenerators nahezu den Standard. Es erreicht Millionstel Prozent. In Empfangsgeräten von Rundfunkempfängern wird Quarz ausschließlich zur Empfangsstabilisierung eingesetzt.

Bei Niederfrequenz- und Schallgeneratoren besteht hier ein sehr ernstes Problem. Um die Abstimmgenauigkeit zu erhöhen, ist eine Erhöhung der Induktivität erforderlich. Eine Erhöhung der Induktivität führt jedoch zu einer Vergrößerung der Spule, was sich stark auf die Abmessungen des Empfängers auswirkt. Daher wurde eine alternative Schaltung für den Colpitts-Oszillator entwickelt – der Oszillator niedrige Frequenzen Pierce. Es gibt keine Induktivität und stattdessen wird ein Quarz-Selbstschwingungsresonator verwendet. Darüber hinaus können Sie mit dem Quarzresonator die Obergrenze der Schwingungen abschneiden.

In einer solchen Schaltung verhindert die Kapazität, dass die konstante Komponente der Basisvorspannung des Transistors den Resonator erreicht. Hier können Signale bis 20-25 MHz inklusive Audio erzeugt werden.

Die Leistung aller betrachteten Geräte hängt von den Resonanzeigenschaften des Systems aus Kapazitäten und Induktivitäten ab. Daraus folgt, dass die Frequenz durch die Werkseigenschaften der Kondensatoren und Spulen bestimmt wird.

Wichtig! Ein Transistor ist ein Element aus einem Halbleiter. Es verfügt über drei Ausgänge und ist in der Lage, aus einem kleinen Eingangssignal einen großen Strom am Ausgang zu steuern. Die Kraft der Elemente variiert. Wird zum Verstärken und Schalten elektrischer Signale verwendet.

Weitere Informationen. Die Präsentation des ersten Transistors erfolgte 1947. Sein Derivat, der Feldeffekttransistor, erschien 1953. Im Jahr 1956 Der Nobelpreis für Physik wurde für die Erfindung des Bipolartransistors verliehen. In den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden Vakuumröhren vollständig aus der Radioelektronik verdrängt.

Funktion Transistorgenerator

Funktionsgeneratoren auf Basis von selbstoszillierenden Transistoren werden erfunden, um sich methodisch wiederholende Impulssignale einer bestimmten Form zu erzeugen. Ihre Form wird durch die Funktion bestimmt (dadurch entstand der Name der gesamten Gruppe ähnlicher Generatoren).

Es gibt drei Hauptarten von Impulsen:

rechteckig;
dreieckig;
Sägezahn.

Als Beispiel für den einfachsten NF-Erzeuger von Rechtecksignalen wird oft ein Multivibrator genannt. Er hat am meisten einfache Schaltung für die Selbstmontage. Funkelektroniker beginnen oft mit der Umsetzung. Hauptmerkmal– Fehlen strenger Anforderungen an die Nennleistung und Form von Transistoren. Dies liegt daran, dass das Tastverhältnis in einem Multivibrator durch die Kapazitäten und Widerstände im Stromkreis der Transistoren bestimmt wird. Die Frequenz des Multivibrators reicht von 1 Hz bis zu mehreren zehn kHz. Es ist hier unmöglich, hochfrequente Schwingungen zu organisieren.

Sägezahn- und Dreiecksignale erhält man, indem man einer Standardschaltung mit Rechteckimpulsen am Ausgang eine zusätzliche Schaltung hinzufügt. Abhängig von den Eigenschaften dieser zusätzlichen Kette werden Rechteckimpulse in Dreiecks- oder Sägezahnimpulse umgewandelt.

Blockierender Generator

Im Kern handelt es sich um einen Verstärker, der auf der Basis von in einer Kaskade angeordneten Transistoren aufgebaut ist. Der Anwendungsbereich ist eng – eine Quelle beeindruckender, aber zeitlich vorübergehender (Dauer von Tausendstel bis zu mehreren zehn Mikrosekunden) Impulssignalen mit großer induktiver positiver Rückkopplung. Der Arbeitszyklus beträgt mehr als 10 und kann in relativen Werten mehrere Zehntausend erreichen. Es gibt eine starke Schärfe der Fronten, die sich in ihrer Form praktisch nicht von geometrisch regelmäßigen Rechtecken unterscheidet. Sie werden in den Bildschirmen von Kathodenstrahlgeräten (Bildröhre, Oszilloskop) verwendet.

Impulsgeneratoren auf Basis von Feldeffekttransistoren

Der Hauptunterschied zwischen Feldeffekttransistoren besteht darin, dass der Eingangswiderstand mit dem Widerstand von Elektronenröhren vergleichbar ist. Colpitts- und Hartley-Schaltungen können auch mit Feldeffekttransistoren aufgebaut werden, lediglich die Spulen und Kondensatoren müssen entsprechend ausgewählt werden technische Eigenschaften. Andernfalls funktionieren Feldeffekttransistorgeneratoren nicht.

Die Schaltkreise, die die Frequenz einstellen, unterliegen den gleichen Gesetzen. Für die Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen ist ein herkömmliches Gerät aus Feldeffekttransistoren besser geeignet. FeldeffekttransistorÜberbrückt die Induktivität in Schaltkreisen nicht, sodass HF-Signalgeneratoren stabiler arbeiten.

Regeneratoren

Der LC-Kreis des Generators kann durch Hinzufügen eines aktiven und negativen Widerstands ersetzt werden. Dies ist eine regenerative Möglichkeit, einen Verstärker zu erhalten. Diese Schaltung hat positives Feedback. Dadurch werden Verluste im Schwingkreis ausgeglichen. Der beschriebene Kreislauf wird als regeneriert bezeichnet.

Geräuschgenerator

Der Hauptunterschied besteht in der einheitlichen Charakteristik von tiefen und hohen Frequenzen im erforderlichen Bereich. Dies bedeutet, dass der Amplitudengang aller Frequenzen in diesem Bereich nicht unterschiedlich ist. Sie werden vor allem in Messgeräten und in der Militärindustrie (insbesondere Flugzeug- und Raketentechnik) eingesetzt. Darüber hinaus dient das sogenannte „graue“ Rauschen der Wahrnehmung von Schall durch das menschliche Ohr.

Einfacher DIY-Soundgenerator

Betrachten wir das einfachste Beispiel – den Brüllaffen. Sie benötigen lediglich vier Elemente: einen Folienkondensator, 2 Bipolartransistoren und einen Widerstand zum Abgleich. Die Last wird ein elektromagnetischer Emitter sein. Zur Stromversorgung des Geräts reicht eine einfache 9-V-Batterie aus. Die Funktionsweise der Schaltung ist einfach: Der Widerstand stellt die Vorspannung an der Basis des Transistors ein. Die Rückkopplung erfolgt über den Kondensator. Der Abstimmwiderstand verändert die Frequenz. Die Last muss einen hohen Widerstand aufweisen.

Bei aller Vielfalt an Typen, Größen und Bauformen der betrachteten Elemente sind leistungsstarke Transistoren für Ultrahochfrequenzen noch nicht erfunden. Daher werden Generatoren auf Basis von selbstoszillierenden Transistoren hauptsächlich für den Nieder- und Hochfrequenzbereich eingesetzt.

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Unter dem Einfluss der Wechselspannung, die von Generatoren in Kraftwerken erzeugt wird, entstehen erzwungene Schwingungen.
Solche Generatoren können keine hochfrequenten Schwingungen erzeugen, die für die Funkkommunikation erforderlich sind? Weil Dies würde eine sehr hohe Rotorgeschwindigkeit erfordern.
Hochfrequente Schwingungen werden beispielsweise mit einem Transistorgenerator erzeugt.

Selbstschwingende Systeme

Typischerweise werden durch die Einwirkung einer externen periodischen Spannung ungedämpfte erzwungene Schwingungen im Stromkreis aufrechterhalten.
Es sind aber auch andere Wege zur Erzielung kontinuierlicher Schwingungen möglich.

Beispielsweise gibt es ein System, in dem freie elektromagnetische Schwingungen mit einer Energiequelle existieren können.
Wenn das System selbst den Energiefluss in den Schwingkreis reguliert, um Energieverluste am Widerstand auszugleichen, kann es zu Störungen kommen ungedämpfte Schwingungen.

Als Systeme werden Systeme bezeichnet, bei denen aufgrund der Zufuhr von Energie aus einer Quelle innerhalb des Systems selbst ungedämpfte Schwingungen erzeugt werden selbstoszillierend. Ungedämpfte Schwingungen, die in einem System ohne äußere Einwirkung vorhanden sind periodische Kräfte, werden genannt Selbstschwingungen.

Ein Transistorgenerator ist ein Beispiel für ein selbstschwingendes System.
Es besteht aus einem Schwingkreis mit einem Kondensator der Kapazität C und einer Induktivität L, einer Energiequelle und einem Transistor.

Wie erzeugt man ungedämpfte Schwingungen in einem Stromkreis?

Um zu verhindern, dass elektromagnetische Schwingungen im Stromkreis abklingen, ist es notwendig, die Energieverluste für jede Periode auszugleichen.

Sie können die Energie im Stromkreis wieder auffüllen, indem Sie den Kondensator aufladen.
Dazu müssen Sie den Stromkreis regelmäßig an eine Konstantspannungsquelle anschließen.

Der Kondensator sollte nur in den Zeitintervallen an die Quelle angeschlossen werden, in denen die mit dem Pluspol der Quelle verbundene Platte positiv und die mit dem Minuspol verbundene Platte negativ geladen ist.
Nur in diesem Fall lädt die Quelle den Kondensator wieder auf und füllt seine Energie auf.

Wenn der Schalter zu einem Zeitpunkt geschlossen ist, an dem die mit dem Pluspol der Quelle verbundene Platte eine negative Ladung und die mit dem Minuspol verbundene Platte eine positive Ladung hat, wird der Kondensator über die Quelle entladen. Die Energie des Kondensators nimmt ab.

Eine Konstantspannungsquelle, die ständig an einen Schaltungskondensator angeschlossen ist, kann darin keine kontinuierlichen Schwingungen unterstützen, ebenso wie eine konstante Kraft keine mechanischen Schwingungen unterstützen kann.
Während der Hälfte der Periode gelangt Energie in den Kreislauf und während der nächsten Hälfte der Periode kehrt sie zur Quelle zurück.

Ungedämpfte Schwingungen werden im Stromkreis nur dann erzeugt, wenn die Quelle während der Zeitintervalle, in denen Energie an den Kondensator übertragen werden kann, an den Stromkreis angeschlossen ist.
Dazu ist es notwendig, eine automatische Betätigung des Schlüssels sicherzustellen.
Bei hohen Schwingfrequenzen muss der Schlüssel zuverlässig funktionieren. Als solcher nahezu trägheitsloser Schalter wird ein Transistor eingesetzt.

Ein Transistor besteht aus Emitter, Basis und Kollektor.
Emitter und Kollektor haben die gleichen Hauptladungsträger, beispielsweise Löcher (Halbleiter vom p-Typ).
Die Basis verfügt über Majoritätsträger mit entgegengesetztem Vorzeichen, beispielsweise Elektronen (Halbleiter vom n-Typ).

Betrieb eines Transistorgenerators

Der Schwingkreis ist mit einer Spannungsquelle und einem Transistor in Reihe geschaltet, so dass am Emitter ein positives Potential und am Kollektor ein negatives Potential anliegt.
In diesem Fall ist der Emitter-Basis-Übergang (Emitterübergang) direkt und der Basis-Kollektor-Übergang (Kollektorübergang) umgekehrt und es fließt kein Strom im Stromkreis.
Dies entspricht einem offenen Schlüssel.

Damit im Schaltkreis ein Strom entsteht und der Schaltkreiskondensator während der Schwingungen aufgeladen wird, ist es notwendig, die Basis mit einem negativen Potenzial gegenüber dem Emitter zu versorgen, und zwar während der Zeitintervalle, in denen die obere Platte des Kondensators positiv geladen ist und die untere Platte ist negativ geladen.
Dies entspricht einem geschlossenen Schlüssel.

Hier erfolgt die Rückmeldung induktiv
Eine Spule mit der Induktivität L CB ist mit der Emitterverbindung verbunden und induktiv mit der Spule mit der Induktivität L des Stromkreises gekoppelt.
Schwingungen im Stromkreis aufgrund elektromagnetischer Induktion regen Spannungsschwankungen an den Enden der Spule und damit am Emitterübergang an.
Wenn die Phase der Spannungsschwingungen am Emitterübergang richtig gewählt ist, wirken die „Witze“ des Stroms im Stromkreis in den erforderlichen Zeitintervallen auf den Stromkreis ein und die Schwingungen klingen nicht ab.
Im Gegenteil nimmt die Amplitude der Schwingungen im Stromkreis zu, bis die Energieverluste im Stromkreis durch die Energiezufuhr aus der Quelle genau ausgeglichen werden.
Diese Amplitude ist umso größer, je höher die Quellenspannung ist.
Eine Erhöhung der Spannung führt zu erhöhten Stromstößen, die den Kondensator wieder aufladen.

Transistorgeneratoren werden nicht nur in vielen Funkgeräten häufig verwendet: Funkempfänger, sendende Radiosender, Verstärker, Computer.

Grundelemente eines selbstschwingenden Systems

Am Beispiel eines Transistorgenerators können wir die Hauptelemente hervorheben, die für viele selbstschwingende Systeme charakteristisch sind.

1. Eine Energiequelle, die ungedämpfte Schwingungen aufrechterhält (bei einem Transistorgenerator ist dies eine Konstantspannungsquelle).

2. Ein schwingfähiges System ist der Teil eines selbstschwingenden Systems, in dem Schwingungen direkt auftreten (bei einem Transistorgenerator ist dies ein Schwingkreis).

3. Ein Gerät, das die Energiezufuhr von der Quelle zum Schwingsystem regelt – ein Ventil (im betrachteten Generator – ein Transistor).

4. Ein Gerät, das eine Rückmeldung liefert, mit deren Hilfe das Schwingsystem das Ventil steuert (in einem Transistorgenerator - induktive Kopplung einer Schaltungsspule mit einer Spule in der Emitter-Basis-Schaltung).

Beispiele für selbstschwingende Systeme

Eigenschwingungen in mechanischen Systemen: eine Uhr mit Pendel oder eine Unruh (ein Rad mit einer Feder, das Torsionsschwingungen ausführt). Die Energiequelle einer Uhr ist die potentielle Energie eines angehobenen Gewichts oder einer zusammengedrückten Feder.

Zu den selbstschwingenden Systemen gehören eine elektrische Glocke mit Unterbrecher, eine Pfeife, Orgelpfeifen und vieles mehr. Auch unser Herz und unsere Lunge können als selbstschwingende Systeme betrachtet werden.