Theorie: Oszillatoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur

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Allgemeine Prinzipien der Schwingungserzeugung

Es ist bekannt, dass nichts aus nichts entsteht. Um irgendeine Aktion in der Natur auszuführen, beispielsweise um Bewegung zu erzeugen, ist es notwendig, eine bestimmte Menge an Energie aufzuwenden. Vibrationen, auch elektrische, zählen zu den Bewegungsarten. Zum Schwingen der Schaukel wird Muskelenergie benötigt, die Energie von Dampf oder Wasser, die sich vor dem Damm ansammelt, wird benötigt, um die Turbine zu drehen und Strom mit industrieller Frequenz (50 Hz) zu erzeugen. Auf die gleiche Weise ermöglicht die Energie des Netzteils die Anregung eines Hochfrequenzgenerators, der eigentlich Gleichstromenergie in die Energie hochfrequenter Schwingungen umwandelt – diese können verstärkt und zum Schwingungen gebracht werden Antenne des Funksenders.

In den allerersten Funksendern beispielsweise waren die Funktionen der Erzeugung und Verstärkung von Schwingungen in einem Gerät vereint, das auf einer leistungsstarken Funkröhre (und noch früher auf einer Funken- oder Lichtbogenstrecke oder einer Hochfrequenzmaschine) hergestellt wurde. Anschließend erwies es sich als sinnvoller, Schwingungen relativ geringer Leistung (aber hoher Stabilität) zu erzeugen und diese dann auf das erforderliche Niveau zu verstärken. Generatoren, bei denen Schwingungen unabhängig voneinander auftreten, werden als selbsterregt oder Selbstoszillatoren bezeichnet, und Leistungsverstärker hochfrequenter Schwingungen werden oft als Generatoren mit Fremderregung bezeichnet.

Generatoren mit geringer Leistung – Lokaloszillatoren – sind in fast jedem Radio- und Fernsehempfänger zu finden. Sie sind Teil eines Frequenzumrichters – eines Geräts, das dazu dient, ein Signal von einer empfangenen Frequenz auf die sogenannte Zwischenfrequenz zu übertragen, bei der die Hauptverstärkung, Filterung und Signalverarbeitung erfolgt. Ein solcher Empfänger wird Superheterodyn genannt.

Der Oszillator enthält normalerweise ein Verstärkerelement, dessen Ausgang über eine Rückkopplungsschaltung (OS) mit dem Eingang verbunden ist, wie in Abb. 44.

Die Polarität der Schwingungen, die über den Rückkopplungskreis zum Eingang gelangen, muss so sein, dass sie die bereits im System vorhandenen Schwingungen unterstützen und ihre Amplitude erhöhen. Eine solche Rückkopplung wird positive Rückkopplung (POS) genannt. Wenn der Schleifenübertragungskoeffizient des Verstärkerelement-OS-Schaltkreises mehr als eins beträgt, reicht der geringste Stoß, selbst thermische Schwankungen, aus, damit im Selbstoszillator Schwingungen auftreten. Ihre Amplitude nimmt zu, bis ein Beschränkungsmechanismus aktiviert wird, der die Verstärkung verringert, beispielsweise bis die Amplitude im Verstärkungselement begrenzt wird.

Entspannungsgeneratoren

Wenn Sie einen Breitbandverstärker und eine Rückkopplungsschaltung im Generator verwenden (Breitband bedeutet, dass ein breiter Frequenzbereich von der niedrigsten bis zu ziemlich hohen Frequenzen durchgelassen wird), erhalten Sie einen Entspannungsgenerator. Der Prozess der Selbsterregung erfolgt darin so schnell, dass selbst ein Schwingungszyklus (Periode) keine Zeit hat, zu vergehen, bevor sich das verstärkende Element im Sättigungsmodus (Begrenzungsmodus) befindet. Danach muss das Gerät einige Zeit „ruhen“, um in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, danach wird der Vorgang wiederholt.

Entspannungsgeneratoren erzeugen nicht-sinusförmige Schwingungen. Auf ihrer Basis entstehen Generatoren für kurze Impulse mit rechteckiger, dreieckiger oder anderer Spannung einer besonderen Form. Sie werden beispielsweise zur Erzeugung einer Wobbelspannung in Fernsehgeräten eingesetzt. In Entspannungsgeneratoren gibt es meist keine Induktivitäten (Ausnahme ist ein Transformator in einem Sperrgenerator), und die Frequenz oder Schwingungsdauer wird durch die Dauer des Ladens und Entladens von Kondensatoren über Widerstände bestimmt, d. h. durch die Zeitkonstante von RC-Schaltungen ( t = RC).

Einer der einfachsten Relaxationsgeneratoren wird normalerweise mit einem Schmitt-Trigger ausgeführt (Abb. 45, a) – einem Gerät, dessen Ausgangsspannung zwei Werte annehmen kann – hoch (z. B. 5 V) und niedrig (3 V). Wenn die Spannung am Triggereingang ansteigt, wird die Ausgangsspannung ab einem bestimmten Wert (z. B. 2 V) niedrig und wenn die Eingangsspannung unter einen anderen Schwellenwert (z. B. XNUMX V) fällt, wird sie hoch. Somit hat die Übertragungscharakteristik eines Schmitt-Triggers die Form einer rechteckigen Hystereseschleife, wie durch die Abbildung auf seinem Symbol angedeutet. Die Tatsache, dass die Ausgangsspannung invertiert ist, also relativ zum Eingang eine umgekehrte Polarität aufweist, wird durch einen Kreis am Ausgangspin der Mikroschaltung angezeigt. Fertige Schmitt-Trigger sind in verschiedenen Serien von industriell hergestellten Digitalchips erhältlich.

So funktioniert dieser Generator. Nach dem Einschalten wird der Kondensator C1 entladen, die Spannung am Ausgang DD1 ist hoch. Der Kondensator C1 beginnt sich über den Widerstand R1 aufzuladen und nach einiger Zeit erreicht die Spannung an ihm die obere Schaltschwelle des Auslösers (3 V). Die Ausgangsspannung fällt schlagartig auf Null und der Kondensator beginnt sich über denselben Widerstand zu entladen. Sinkt die Spannung an ihm auf die untere Schaltschwelle (2 V), springt die Ausgangsspannung. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch – es kommt zu Selbstschwingungen. Die Spannungsform am Kondensator ist nahezu dreieckig (Abb. 45, b) und am Ausgang des Generators ist sie rechteckig (Abb. 45, c).

Betrachten wir einen anderen weit verbreiteten Entspannungsgenerator aus diskreten Elementen – einen Multivibrator (Abb. 46).

Im Wesentlichen handelt es sich um einen zweistufigen Transistorverstärker mit Kopplung zwischen den Stufen über einen Isolationskondensator C1. Der Kondensator C2 verbindet den Verstärkerausgang mit dem Eingang und erzeugt so ein Betriebssystem. Da jede Stufe das Signal invertiert, ist das Signal nach zwei Stufen nicht invertiert und die Rückkopplung ist positiv. R1 und R4 sind Kaskadenlastwiderstände und R2 und R3 sind Vorspannungswiderstände, die einen anfänglichen Basisstrom einstellen und so die Sättigung der Transistoren sicherstellen.

An den Kollektoren der Transistoren bilden sich gegenphasige Impulse mit nahezu rechteckiger Form. Wenn die Werte der Widerstände und Kondensatoren gleich sind, haben die Impulse die gleiche Dauer – ein solcher Multivibrator wird als symmetrisch bezeichnet. Bei unterschiedlichen Teilenwerten werden die Impulse asymmetrisch – eine Halbwelle ist kürzer, die andere länger. Der Multivibrator wird asymmetrisch.

Schaltungen von Entspannungsgeneratoren gibt es viele; man findet sie in der funktechnischen Fachliteratur zur Pulstechnik. Heutzutage werden solche Geräte in den meisten Fällen auf digitalen Mikroschaltungen hergestellt, was einfacher, bequemer und zuverlässiger ist.

Autor: V.Polyakov, Moskau

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