Как работает генератор на транзисторе

Принцип работы генератора электромагнитных колебаний на транзисторе

Рассмотрим принцип работы генератора незатухающих колебаний на транзисторе.

В схеме (рис.7) используется транзистор p — n-p типа (лабораторная работа № 11). При подключении источника питания на эмиттер такого транзистора подается обязательно положительный потенциал.

На одном каркасе намотаны несколько катушек индуктивности. Основные — это катушка колебательного контура L _KК и катушка связи — L _CВ, подключенная одним концом к базе транзистора. Первое условие работы генератора — достаточно сильная связь между катушкой связи и катушкой контура.

К базе и коллектору транзистора подключен переменный резистор. Поворотом регулировочной ручки этого резистора выбирается рабочая точка на характеристике транзистора. При правильном выборе рабочей точки можно добиться идеальной синусоиды полученного переменного тока.

Второе условие работы генератора — восполнение энергии за один период не может быть меньше потерь энергии. Выполнение этого условия обеспечено самой конструкцией генератора.

Третье условие — выполнение фазовых соотношений. При подключении генератора к источнику питания ток идет через катушку L _КК, индуктивное сопротивление X_L = w L _КК будет большое, соответственно напряжение на катушке тоже будет большое. Конденсатор контура С _КК включен параллельно катушке, потому он зарядится до максимального напряжения. В колебательном контуре возникнут электрические колебания. Магнитное поле катушки L _КК пронизывает катушку связи L _CВ и вызывает появление ЭДС в этой катушке. Катушка связи подключена к эмиттеру и базе транзистора, у которого первый p — n переход включен в прямом направлении. Если напряжение от катушки связи будет подано так, что на эмиттере будет плюс, а на базе минус, то транзистор откроется, а в противном случае закроется. Таким образом, сам колебательный контур с помощью катушки связи и транзистора может включать и выключать в нужном режиме источник питания. На этом основано пополнение убыли энергии в колебательном контуре.

Такое соотношение между токами в колебательном контуре и знаками ЭДС на катушке связи будет являться третьим условием работы генератора незатухающих колебаний.

Если генератор не заработал, то достаточно на основании третьего условия переключить концы катушки связи.

Таким образом, при выполнении указанных условий работы генератора, в схеме, представленной на рис.7, в течение периода колебаний происходят следующие изменения тока, заряда и напряжения.

Первая четверть периода. Положительно заряженная пластина конденсатора, соединенная с коллектором, разряжается. Ток в колебательном контуре возрастает до максимального значения . В катушке связи возникает индукционный ток такого направления, что база имеет отрицательный потенциал относительно эмиттера. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Транзистор открыт. Энергия от источника поступает через транзистор в колебательный контур (ключ замкнут).

Вторая четверть периода. Ток в контуре убывает. Верхняя пластина заряжается отрицательно. В катушке связи ток меняет направление. На базе положительный потенциал. Переход коллектор — база обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).

Третья четверть периода. Конденсатор разряжается. Ток растет до максимального значения, направлен от нижней к верхней пластине. В катушке связи ток направлен так, что база получает положительный потенциал. Переход база — коллектор обратный. Тока в цепи нет (ключ разомкнут).

Четвертая четверть периода. Ток в контуре, не меняя направления, убывает. Верхняя пластина заряжается положительно. В катушке связи ток меняется по направлению. Заряд на базе отрицательный. Переходы база — коллектор и эмиттер — база прямые. Энергия поступает от источника в колебательный контур (ключ замкнут).

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Генератор Ройера на биполярных транзисторах: что это такое и как оно работает

Сегодня мы попытаемся понять, что же такое генератор Ройера на примере CCFL конвертера, соберем его прототип, а так же изучим принцип работы.

Предыстория

Попал ко мне в руки давеча нерабочий сканер, чинить его не было никакого смысла, поэтому он пошел на запчасти. Снял я с него CCFL (cold cathode fluorescent lamp) лампу, конвертер и решил с ними поиграться.

Но конвертер оказался нерабочим, а так как поиграться очень хотелось, я решил его восстановить. Так как при замене сгоревшего транзистора у китайской платы начали отслаиваться дорожки, я решил сделать свою, заодно поподробнее изучить принцип работы и написать статью на Хабр, может быть кому-то будет интересно.

Схема и принцип работы

Итак, вернемся к Ройеру. Схема, запатентованная в 1954 году Джорджем Х. Ройером, представляет из себя резонансный автогенератор, собранный по топологии пуш-пулл. Вообще, модификаций этой схемы много, но все они отличаются вариациями обмотки связи, и по принципу работы одинаковы. Есть так же генератор Ройера на полевых транзисторах, но это совсем другая схема. В данной статье мы рассматриваем только модифицированный генератор Ройера на биполярных транзисторах, с обмоткой связи без отвода, наиболее часто использующейся в балластах CCFL. Рассмотрим схему:

При подаче питания ток течет к базе транзистора Q2 через резистор R1. Этот резистор служит только для запуска, и с ним связан один момент, но о нем чуть позже. Транзистор Q2 начинает отпираться и через его переход коллектор-эмиттер и часть первичной обмотки начинает течь ток, а также начинает заряжаться конденсатор C1. В этот момент наводится напряжение в обмотке связи, и ток начинает вытекать из базы Q1, втекая в базу Q2. Транзистор Q1 удерживается запертым, а Q2 открывается еще больше, но, поскольку первичная обмотка с контурным конденсатором C1 составляет колебательный контур, через некоторое время заряженный конденсатор C1 начинает отдавать ток в первичную обмотку в обратном направлении, и в обмотке связи ток начинает течь наоборот. Транзисторы Q1 и Q2 меняют свои состояния на противоположные и процесс генерации стабилизируется на резонансной частоте контура, в результате чего в нем образуются синусоидальные колебания, а во вторичной обмотке наводится напряжение. Дроссель L1 накапливает энергию и отдает ее в момент переключения транзисторов, как бы повышая напряжение питания, а так же с конденсатором C2 составляет LC-фильтр.

Плата и компоненты

Через полчаса работы я развел плату и отправил ее травиться (архив с полезностями, в том числе плата в PDF, доступен по ссылке в конце статьи), а сам успел попить чай.

Я немного изменил схему, в частности, поставил PNP транзисторы, поскольку подходящих NPN под рукой не оказалось, а так же добавил второй резистор.

И добавил я его не просто так, помните, я обещал рассказать о резисторе для запуска? В идеале он должен быть несколько десятков килоом, чтобы не влиять на работу, но суметь запустить процесс, а управление транзисторами должно осуществляться исключительно обмоткой связи. Но хитрым китайцам жалко меди, и поэтому в обмотке связи только два витка, и с резистором положенного сопротивления лампа даже не зажигается. Но они ставят резистор более низкого сопротивления, в результате транзистор с эти резистором в базе работает в более нагруженном режиме, он то и сгорел. Я не стал перематывать трансформатор, а поставил более мощные транзисторы и два резистора. Теперь помимо обмотки связи транзисторы отпираются при помощи этих резисторов, в результате мощность балласта повысилась с 4 до 20 ватт, но это предел как для трансформатора, так и для транзисторов.

Испытания

Теперь мы можем снимать дуги и питать CCFL трубки с этого драйвера. Питание схемы 12 вольт.

Генератор на транзисторе

Радиолюбителям необходимо получать различные радиосигналы. Для этого необходимо наличие нч и вч генератора. Зачастую такой тип приборов называют генератор на транзисторе за его конструктивную особенность.

Дополнительная информация. Генератор тока – это автоколебательное устройство, созданное и используемое для появления электрической энергии в сети или преобразования одного вида энергии в другой с заданной эффективностью.

Автоколебательные транзисторные приборы

Генератор на транзисторе разделяют на несколько видов:

• по частотному диапазону выдаваемого сигнала;
• по типу выдаваемого сигнала;
• по алгоритму действия.

Частотный диапазон принято подразделять на следующие группы:

• 30 Гц-300 кГц – низкий диапазон, обозначается нч;
• 300 кГц-3 МГц – средний диапазон, обозначается сч;
• 3-300 МГц – высокий диапазон, обозначается вч;
• более 300 МГц – сверхвысокий диапазон, обозначается свч.

Так подразделяют диапазоны радиолюбители. Для звуковых частот используют промежуток 16 Гц-22 кГц и тоже делят его на низкие, средние и высокие группы. Эти частоты присутствуют в любом бытовом приёмнике звука.

Следующее разделение – по виду выдаваемого сигнала:

• синусоидальный – происходит выдача сигнала по синусоиде;
• функциональный – на выходе у сигналов появляется специально заданная форма, например, прямоугольная или треугольная;
• генератор шума – на выходе наблюдается равномерный диапазон частот; диапазоны могут быть различны, в зависимости от нужд потребителя.

Транзисторные усилители различаются по алгоритму действия:

• RC – основная область применения – низкий диапазон и звуковые частоты;
• LC – основная область применения – высокие частоты;
• Блокинг-генератор – используется для производства сигналов-импульсов с большой скважностью.

Изображение на электрических схемах

Для начала рассмотрим получение синусоидального типа сигнала. Самый известный генератор на транзисторе такого типа – генератор колебаний Колпитца. Это задающий генератор с одной индуктивностью и двумя последовательно соединёнными ёмкостями. С помощью него производится генерация требуемых частот. Оставшиеся элементы обеспечивают требуемый режим работы транзистора на постоянном токе.

Дополнительная информация. Эдвин Генри Колпитц – руководитель отдела инноваций «Вестерн Электрик» в начале прошлого века. Был пионером в разработке усилителей сигнала. Впервые произвёл радиотелефон, позволяющий разговаривать через Атлантику.

Также широко известен задающий генератор колебаний Хартли. Он, как и схема Колпитца, достаточно прост в сборке, однако требуется индуктивность с отводом. В схеме Хартли один конденсатор и две последовательно соединённые катушки индуктивности производят генерацию. Также в схеме присутствует дополнительная ёмкость для получения плюсовой обратной связи.

Основная область применения вышеописанных приборов – средние и высокие частоты. Используют для получения несущих частот, а также для генерации электрических колебаний малой мощности. Принимающие устройства бытовых радиостанций также используют генераторы колебаний.

Все перечисленные области применения не терпят нестабильного приёма. Для этого в схему вводят ещё один элемент – кварцевый резонатор автоколебаний. В этом случае точность высокочастотного генератора становится практически эталонной. Она достигает миллионных долей процента. В принимающих устройствах радиоприёмников для стабилизации приёма применяют исключительно кварц.

Что касается низкочастотных и звуковых генераторов, то здесь есть очень серьёзная проблема. Для увеличения точности настройки требуется увеличение индуктивности. Но увеличение индуктивности ведёт к нарастанию размеров катушки, что сильно сказывается на габаритах приёмника. Поэтому была разработана альтернативная схема генератора Колпитца – генератор низких частот Пирса. В ней индуктивность отсутствует, а на её месте применён кварцевый резонатор автоколебаний. Кроме того, кварцевый резонатор позволяет отсечь верхний предел колебаний.

В такой схеме ёмкость не даёт постоянной составляющей базового смещения транзистора дойти до резонатора. Здесь могут формироваться сигналы до 20-25 МГц, в том числе звуковые.

Производительность всех рассмотренных устройств зависит от резонансных свойств системы, состоящей из емкостей и индуктивностей. Отсюда следует, что частота будет определена заводскими характеристиками конденсаторов и катушек.

Важно! Транзистор – это элемент, произведённый из полупроводника. Имеет три вывода и способен от поданного входного сигнала небольшой величины управлять большим током на выходе. Мощность элементов бывает разная. Используется для усиления и коммутации электрических сигналов.

Дополнительная информация. Презентация первого транзистора была проведена в 1947 г. Его производная – полевой транзистор, появился в 1953г. В 1956г. за изобретение биполярного транзистора была вручена Нобелевская премия в области физики. К 80-м годам прошлого века электронные лампы были полностью вытеснены из радиоэлектроники.

Функциональный транзисторный генератор

Функциональные генераторы на транзисторах автоколебания изобретены для производства методично повторяющихся сигналов-импульсов заданной формы. Форма их задаётся функцией (название всей группы подобных генераторов появилось вследствие этого).

Различают три основных вида импульсов:

• прямоугольные;
• треугольные;
• пилообразные.

Как пример простейшего нч производителя прямоугольных сигналов зачастую приводится мультивибратор. У него самая простая схема для сборки своими руками. Часто с её реализации начинают радио электронщики. Главная особенность – отсутствие строгих требований к номиналам и форме транзисторов. Это происходит из-за того, что скважность в мультивибраторе определяется емкостями и сопротивлениями в электрической цепи транзисторов. Частота на мультивибраторе находится в диапазоне от 1 Гц до нескольких десятков кГц. Высокочастотные колебания здесь организовать невозможно.

Получение пилообразных и треугольных сигналов происходит путём добавления в типовую схему с прямоугольными импульсами на выходе дополнительной цепочки. В зависимости от характеристик этой дополнительной цепочки, прямоугольные импульсы преобразуются в треугольные или пилообразные.

Блокинг-генератор

По своей сути, является усилителем, собранным на базе транзисторов, расположенных в один каскад. Область применения узка – источник внушительных, но скоротечных по времени (продолжительность от тысячных долей до нескольких десятков мкс) сигналов-импульсов с большой индуктивной плюсовой обратной связью. Скважность – больше 10 и может доходить до нескольких десятков тысяч в относительных величинах. Наблюдается серьезная резкость фронтов, по своей форме практически не отличающихся от геометрически правильных прямоугольников. Применяются в экранах электронно-лучевых приборов (кинескоп, осциллограф).

Генераторы импульсов на полевых транзисторах

Главное отличие полевых транзисторов – сопротивление на входе соизмеримо с сопротивлением электронных ламп. Схемы Колпитца и Хартли можно собирать и на полевых транзисторах, только катушки и конденсаторы необходимо подбирать с соответствующими техническими характеристиками. В противном случае генераторы на полевых транзисторах работать не будут.

Цепи, задающие частоту, подчиняются таким же законам. Для производства высокочастотных импульсов лучше приспособлен обычный прибор, собранный с использованием полевых транзисторов. Полевой транзистор не шунтирует индуктивность в схемах, поэтому генераторы вч сигнала работают более стабильно.

Регенераторы

LC-контур у генератора можно заменить путём добавления активного и отрицательного резистора. Это регенеративный путь получения усилителя. Такая схема обладает положительной обратной связью. Благодаря этому происходит компенсация потерь в колебательном контуре. Описанный контур называется регенерированным.

Генератор шума

Главное отличие – равномерная характеристика нч и вч частот в требуемом диапазоне. Это означает, что амплитудная характеристика всех частот этого диапазона не будет отличаться. Используются преимущественно в аппаратуре для измерений и в военной отрасли (особенно самолёто,- и ракетостроении). Кроме того, применяют для восприятия звука человеческим ухом – так называемый «серый» шум.

Простой звуковой генератор своими руками

Рассмотрим простейший пример – ревун. Понадобятся всего четыре элемента: плёночный конденсатор, 2 биполярных транзистора и резистор для подстройки. Нагрузкой будет электромагнитный излучатель. Для питания устройства достаточно простой батарейки на 9В. Работа схемы проста: резистор задаёт смещение на базу транзистора. Через конденсатор происходит обратная связь. Резистор для подстройки изменяет частоту. Нагрузка должна быть с высоким сопротивлением.

При всём многообразии типов, размеров и форм исполнения рассмотренных элементов мощных транзисторов для сверхвысоких частот до сих пор не придумано. Поэтому генераторы на транзисторах автоколебания применяют в основном для нч и вч диапазонов.

Транзисторные автогенераторы

В качестве активного элемента в автогенераторах чаще всего применяются биполярные транзисторы. На относительно низких частотах, как уже отмечалось, резонаторами являются ZC-контуры. Известно несколько типовых схем транзисторных автогенераторов, отличающихся видом обратной связи. На рис. 4.9 приведена схема автогенератора, справедливая для переменного тока, построенная в соответствии с общей структурной схемой, изображенной на рис. 4.1.

Рис. 4.9. Схема автогенератора с емкостной обратной связью

На изображенной схеме имеется емкостная положительная обратная связь по напряжению. Как показала практика, генераторы, выполненные по этой схеме, имеют наибольшую стабильность частоты. Ее называют схемой Колпитца, именно она в основном и применяется для создания автогенераторов.

Благодаря положительной обратной связи транзистор в точке коллектор (К) — эмиттер (Э) проявляет себя в качестве негатрона, т.е. к контуру подключается отрицательное сопротивление, компенсирующее убыль энергии.

При подаче напряжения питания на транзистор в контуре возбуждаются и нарастают колебания. Если выполнен ряд необходимых условий, в автогенераторе устанавливается стационарный режим работы, в котором амплитуда и частота колебаний постоянны.

Рассмотрим процесс установления стационарного режима в схеме, приведенной на рис. 4.9. При включении питания в контуре возникают колебания малой амплитуды на собственной частоте со₀, за счет обратной связи появляются колебания напряжения между базой Б и эмиттером транзистора с комплексной амплитудой первой гармоники U_m . Это напряжение вызывает колебания коллекторного тока с комплексной амплитудой первой гармоники /_К1. Коллекторный ток, протекая по колебательному контуру, образованному элементами L, С_<, С₂, создает на нем колебания напряжения с комплексной амплитудой t/_K0Hl.

Если эти колебания синфазны с первоначальными, амплитуда колебаний нарастает, т.е. увеличиваются U_K0Hi,U_m и /_К1. Увеличение амплитуды колебаний происходит до тех пор, пока не вступает в действие механизм их ограничения. Ограничение амплитуды наступает тогда, когда начинает проявляться нелинейность характеристик транзистора — вольтамисрных, связывающих токи и напряжения на электродах, либо вольт- кулонных, описывающих емкости р-п переходов.

Процесс ограничения амплитуды колебаний можно проследить по так называемой колебательной характеристике автогенератора, связывающей амплитуду коллекторного тока /_К1 с амплитудой напряжения на коллекторе U_K]. Как следует из рис. 4.9,

При малых амплитудах нелинейность характеристик не проявляется и /_К1 растет пропорционально ?/_К|. С ростом амплитуды вступает в действие механизм ее ограничения и устанавливается стационарный режим (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Колебательные характеристики автогенератора

Стационарный режим колебаний может установиться либо за счет ограничения амплитуды тока /_К1 (рис. 4.10, а), либо за счет ограничения амплитуды напряжения U_Kl (рис. 4.10, б). Тот или иной механизм ограничения определяется преобладающим влиянием конкретной нелинейности. В биполярных транзисторах прежде всего проявляется нелинейность вольтамперной характеристики /_К(?/_Б1), обусловленная переходом транзистора из активной области в область отсечки или область насыщения (рис. 4.11). Стабильность частоты колебаний оказывается наибольшей, если ограничение амплитуды происходит за счет отсечки тока без работы транзистора в области насыщения.

Рис. 4.11. Установление колебаний в автогенераторе:

1 — область отсечки; 2 — активная область; 3 — область насыщения

Как следует из рис. 4.11, колебательная характеристика транзистора соответствует рис. 4.10, а.