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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Theorie: Generatoren sinusförmiger Schwingungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur Eine Art von Sinusschwingungsgeneratoren verwendet RC-Glieder zur Einstellung der Frequenz. Solche Generatoren sind recht komplex, erfordern besondere Maßnahmen zur Stabilisierung der Schwingungsamplitude und zeichnen sich nicht durch hohe Frequenzstabilität aus. Generatoren mit einem Parallelschwingkreis als frequenzeinstellendem Element arbeiten zuverlässiger und besser – sie werden oft LC-Generatoren genannt. Denken Sie daran, dass ein Parallelschwingkreis einen Kondensator und eine Induktivität enthält. Wenn ein geladener Kondensator an eine Spule angeschlossen wird, treten im resultierenden Stromkreis gedämpfte Schwingungen auf (Abb. 47). Ihre Frequenz wird durch die Thomson-Formel bestimmt: fo = 1/2π(LC)1/2.
Die Schwingungen würden unendlich lange andauern, wenn im Stromkreis keine Energieverluste, beispielsweise durch den Wirkwiderstand des Spulendrahtes, auftreten würden. Außerdem einige. auch wenn ein kleiner Teil der Energie an die Generatorlast abgegeben werden muss! Je geringer der Energieverlust ist, desto höher ist die Güte der Schaltung, die der Anzahl der Schwingungen entspricht, bis ihre Amplitude um etwa das Zehnfache abnimmt. Nur wenige Menschen kennen diese Tatsache. Die Verluste in einem Schleifenkondensator sind normalerweise gering im Vergleich zu den Verlusten in der Spule, sodass der Gütefaktor der Schleife fast gleich dem Gütefaktor der Spule ist, der als Verhältnis der Reaktanz der Spule zur aktiven Reaktanz definiert ist. Der Gütefaktor von Hochfrequenzspulen der DV-, SV- und KB-Reihe liegt je nach Größe und Verarbeitungsqualität üblicherweise im Bereich von 30...300. Große Spulen, gewickelt für die DV- und SV-Bereiche mit einer speziellen Litze (LZShO - Litze) oder dickem versilbertem Draht für den KB-Bereich, weisen in der Regel einen höheren Qualitätsfaktor auf. Mit Magnetkernen (Kernen) aus Hochfrequenzferrit oder anderen Magnetodielektrika (Magnetit, Oxyfer, Carbonyleisen) können Sie die Größe der Spulen deutlich reduzieren und gleichzeitig einen hohen Qualitätsfaktor beibehalten. Beim Einsatz solcher Spulen in Generatoren ist jedoch auf die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften des Magnetkreises zu achten, um die Frequenzstabilität des Generators nicht zu verschlechtern. Der Gütefaktor der Schaltung bestimmt auch die Breite ihrer Resonanzkurve. Es charakterisiert die Abhängigkeit der Schwingungsamplitude im Stromkreis von der Frequenz, wenn dieser durch eine externe Quelle sinusförmiger Schwingungen angeregt wird. Um korrekte Ergebnisse zu erhalten, muss die Verbindung zwischen der Quelle und dem Stromkreis sehr schwach sein, wenn die Schwingungsfrequenz der Quelle mit der Resonanzfrequenz des Stromkreises übereinstimmt, die Amplitude der Schwingungen darin maximal ist und bei Verstimmung abnimmt. Die Breite der Resonanzkurve an den Stellen, an denen die Amplitude auf 0,7 (um 3 dB) abfällt, ist umgekehrt proportional zum Gütefaktor: 2Δf=f/Q (Abb. 47). Die Grundidee beim Aufbau von Generatoren mit einem LC-Schaltkreis ist wie folgt: Der Energieverlust im Schaltkreis während der Schwingungen muss durch ein aus demselben Schaltkreis angeregtes Verstärkungselement ausgeglichen werden, ganz in Übereinstimmung mit Abb. 44. In diesem Fall müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Amplitudengleichgewicht und Phasengleichgewicht. Die erste Bedingung erfordert, dass die vom Verstärkungselement dem Stromkreis zugeführte Energie genau den Energieverlusten im Stromkreis selbst und in den Kommunikationskreisen mit der Last entspricht. Bei schwächerer Rückkopplung klingen die Schwingungen ab und die Erzeugung stoppt; bei stärkerer Rückkopplung steigt die Amplitude und das Verstärkungselement geht entweder in den Begrenzungsmodus oder wird durch die von der Amplitudenstabilisierungsschaltung erzeugte Spannung geschlossen. In beiden Fällen wird die Verstärkung reduziert und das Amplitudengleichgewicht wiederhergestellt. Voraussetzung für die Phasenbalance ist, dass die Schwingungen des Verstärkungselements dem Schaltkreis in Phase mit seinen eigenen zugeführt werden. Daher muss die gesamte Phasenverschiebung entlang der Rückkopplungsschleife Null sein. Eine durch den Verstärker verursachte kleine Phasenverschiebung kann jedoch durch die Schaltung ausgeglichen werden. Die Phasenverschiebung der Schwingungen im Schaltkreis (relativ zu den Erregerschwingungen) beträgt bei der Resonanzfrequenz 0 und erreicht ±π/4, wenn die Frequenz entsprechend der Phasencharakteristik des Schaltkreises um ±Δf verstimmt wird. Bei einer Phasenverschiebung im Verstärkungselement werden Schwingungen nicht bei der Resonanzfrequenz, sondern irgendwo daneben angeregt, was natürlich unerwünscht ist. Historisch gesehen wurde der erste LC-Oszillator 1913 von Meissner (Deutsche Gesellschaft für drahtlose Telegraphie) erfunden und dann von Round (englisches Unternehmen Marconi) verbessert. Es wurde eine induktive Rückkopplung verwendet (Abb. 48).
Schwingungen vom Schaltkreis L2C2 werden dem Gitter der Lampe VL1 zugeführt. Sein Anodenstrom, der sich im Takt der Schwingungen im Stromkreis ändert, fließt durch die Koppelspule und die Energie der verstärkten Schwingungen fließt zurück in den Stromkreis. Für eine korrekte Phasenlage müssen beide Spulen wie in der Abbildung gezeigt eingeschaltet sein (die Anfänge der in eine Richtung gewickelten Wicklungen sind durch Punkte gekennzeichnet). Sie können das Feedback anpassen, indem Sie den Abstand zwischen den Spulen ändern. Um die Amplitude der Schwingungen zu stabilisieren, wird ein Gridlick verwendet – eine C3R1-Kette (die im allerersten Meissner-Generator übrigens noch nicht vorhanden war). Das funktioniert so: Während positiver Halbwellen der Schwingungen des Gitters werden einige der Elektronen davon angezogen und laden die Platte des Kondensators C3, die sich rechts im Diagramm befindet, mit einer negativen Spannung auf. Dadurch verschiebt sich der Arbeitspunkt in einen Kennlinienabschnitt mit geringerer Steigung (die Lampe schließt etwas) und die Verstärkung nimmt ab. Der „Grid Leakage“-Widerstand R1 lässt die angesammelte Ladung zur Kathode fließen, andernfalls würde die Lampe vollständig schließen. Der Kondensator C1 dient dazu, hochfrequente Ströme mit einem gemeinsamen Draht (Masse) kurzzuschließen – schließlich ist es nicht erforderlich, dass sie durch die Stromquelle fließen, was zu Störungen und Interferenzen mit anderen Elementen des Geräts führt, in dem der Generator verwendet wird . Anschließend entwickelte das amerikanische Unternehmen „Western Electric“ einfachere und fortschrittlichere Generatoren – den induktiven „Dreipunkt“ Hartley (1915) und den kapazitiven „Dreipunkt“ Colpitts (1918). Wir haben bewusst die Namen der Erfinder genannt, da die Schaltungen ihrer Generatoren seit mehr als einem Dreivierteljahrhundert praktisch unverändert geblieben sind und in der Fachliteratur immer noch die Bezeichnungen „Meissner-Schaltung“ oder „Colpitts-Schaltung“ zu finden sind, ohne dass diese erklärt werden sie sind. Die Elementbasis hat sich jedoch erheblich verändert, und als Beispiel betrachten wir einen Generator, der nach einer induktiven Dreipunktschaltung (Hartley) auf einem modernen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate hergestellt wurde (Abb. 49).
Vom Funktionsprinzip her ähnelt ein solcher Transistor in vielerlei Hinsicht einer Drei-Elektroden-Radioröhre – einer Triode, aber der Strom darin fließt nicht im Vakuum, sondern in der Dicke des Halbleiters, wo sich ein leitender Kanal befindet technologisch zwischen Drain (oberer Anschluss im Stromkreis) und Source (unterer Anschluss) erzeugt. Die Leitfähigkeit des Kanals wird durch die Spannung am Gate gesteuert – einer Elektrode, die sich sehr nahe am Kanal befindet, aber von diesem isoliert ist. Wenn eine negative Spannung an das Gate angelegt wird, scheint sein Feld den Kanal zu „quetschen“ und der Drain-Strom nimmt ab. Wenn eine positive Spannung angelegt wird und ansteigt, steigt die Leitfähigkeit des Kanals und der Drain-Strom steigt. In jedem Fall gibt es keinen Gate-Strom, und dies machte es notwendig, das C2R1-Gitter – die Amplitudenstabilisierungsschaltung – durch VD1-Dioden zu ergänzen, die die am Gate ankommenden Schwingungen erkennen und mit zunehmender Amplitude eine negative Vorspannung erzeugen. Schwingungen werden dem Tor von der Schaltung L1C1 zugeführt, die die Frequenz des Generators bestimmt. Der Vorteil eines Feldeffekttransistors besteht darin, dass sein Eingangswiderstand bei Hochfrequenzen sehr hoch ist und er den Stromkreis praktisch nicht umgeht, ohne ihm zusätzliche Verluste zuzufügen. Eine Rückkopplung wird erzeugt, indem die Source des Transistors mit einem Teil der Windungen der Spule L1 verbunden wird (normalerweise 1/3 bis 1/10 der Gesamtzahl der Windungen). Der Generator funktioniert folgendermaßen: Bei einer positiven Halbwelle der Schwingungen erhöht sich der Strom des Transistors am oberen Anschluss des Stromkreises, wodurch ein weiterer Teil der Energie in den Stromkreis „geworfen“ wird. Tatsächlich ist der Transistor in diesem Generator als Sourcefolger geschaltet, und die Schwingungsphase an der Quelle stimmt mit der Schwingungsphase am Gate überein, wodurch ein Phasengleichgewicht gewährleistet ist. Der Spannungsübertragungskoeffizient des Zwischenverstärkers ist kleiner als eins, aber die Spule ist im Verhältnis zur Quelle als Aufwärts-Spartransformator geschaltet. Dadurch wird der Gesamtübertragungskoeffizient in der Rückkopplungsschleife größer als eins, wodurch ein Amplitudengleichgewicht gewährleistet wird. Betrachten Sie als weiteres Beispiel einen Generator, der nach einer kapazitiven „Dreipunkt“-Schaltung auf einem Bipolartransistor aufgebaut ist (Abb. 50). Der Generator selbst ist auf dem Transistor VT1 aufgebaut. Sein Gleichstrommodus wird durch den Teiler in der Basisschaltung R1R2 und den Widerstandswert des Emitterwiderstands R3 eingestellt (wir haben solche Schaltungen bereits im Abschnitt über Verstärker betrachtet). Der Schwingkreis des Generators wird durch die Induktivität L1 und eine Kette aus drei in Reihe geschalteten Kondensatoren C1-C3 gebildet. An die Abgriffe des resultierenden kapazitiven Teilers sind nicht nur der Emitter, sondern auch die Basis des Transistors angeschlossen. Dies wird durch den Wunsch bedingt, den Nebenschluss des Stromkreises durch den Transistor zu reduzieren – schließlich ist der Eingangswiderstand eines Bipolartransistors relativ klein.
In der Praxis versuchen sie, größere Kapazitäten der Kondensatoren C2 und C3 zu wählen, die die Übergänge des Transistors überbrücken, und die Kapazität C1 – das Minimum, das für das Auftreten von Schwingungen erforderlich ist. Dies verbessert die Frequenzstabilität. Der übrige Betrieb des Generators ist derselbe. wie der vorherige. Die Kaskade am Transistor VT2 – die sogenannte Pufferkaskade – dient dazu, den Einfluss nachfolgender Kaskaden auf den Generator abzuschwächen. Der Transistor ist als Emitterfolger geschaltet und erhält die Vorspannung direkt vom Emitter des Generatortransistors VT1. Zusätzlich wird die Verbindung durch den Widerstand R4 geschwächt. Alle getroffenen Maßnahmen ermöglichen es, die relative Frequenzinstabilität des beschriebenen Generators auf einen Wert von nur 0,001 % zu senken, während sie bei herkömmlichen LC-Generatoren um eine Größenordnung schlechter ist. Rundfunk- und Fernsehempfänger verwenden einfachere Generatoren, die auf einer kapazitiven Dreipunktschaltung basieren. Eine typische Schaltung davon ist in Abb. dargestellt. 51.
Hier ist die Schaltung L1C3 im Kollektorkreis des Transistors enthalten, die Hochfrequenzbasis ist über den Kondensator C2 mit dem gemeinsamen Draht verbunden und die Rückkopplung wird über den kapazitiven Teiler C4C5 an den Emitter geliefert. Das Einschalten eines Transistors nach einer Basisschaltung ermöglicht besonders hohe Erzeugungsfrequenzen, die nahe an der Grenze für diesen Transistortyp liegen. Das Generatorsignal wird von der L2-Kommunikationsspule entfernt. Autor: V.Polyakov, Moskau
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