|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Жесткий режим возбуждения колебаний |
 |
Возбуждение колебаний в генераторе при положении рабочей точки вблизи горизонтального участка характеристики усилительного элемента генератора
Анимация
Описание
Жестким режимом возбуждения колебаний называется такой режим работы автогенератора, для которого характерно отсутствие самопроизвольного возбуждения колебаний. Колебания возбуждаются только при достаточно сильном начальном отклонении колебательной системы от состояния равновесия.
Уравнение, описывающее колебания в автоколебательной системе, может быть записано в виде:
,
где 2θ – величина, характеризующая диссипацию энергии в колебательной системе за один период колебаний;
S M ω0 – приток энергии от внешнего источника за один период колебаний;
S – крутизна характеристики усилительного элемента (параметр, характеризующий коэффициент усиления);
M – коэффициент связи усилителя и колебательного контура;
ω0 – собственная частота колебательного контура.
Необходимо отметить, что крутизна
S зависит от значения
x координаты
колебаний (от значения тока или напряжения, если
колебания электрические). Часто, в связи с тем, что потери в
колебательном контуре генератора, а, следовательно, и приток энергии от внешнего источника невелики за один период
колебаний, можно пользоваться средней крутизной
:
.
Пример схемы генератора электрических колебаний
Рис. 1
Одним из наиболее распространенных типов автоколебательных систем является генератор электрических колебаний (рис. 1). В качестве усилительного элемента в данном типе генератора используется транзистор или электронная лампа.
Вольтамперная характеристика усилительного элемента генератора
Рис. 2
(белыми кружками на графике обозначены рабочие точки, соответствующие жесткому режиму)
Типичная вольтамперная характеристика усилительного элемента (рис. 2) содержит линейный участок с касательной, имеющий относительно большой угол наклона, а также области, где характеристика является практически параллельной оси абсцисс. Производная от вольтамперной характеристики, показанной на данном рисунке, называется крутизной характеристики S. Для того, чтобы генератор работал в жестком режиме, необходимо, чтобы рабочая точка (точка, соответствующая состоянию покоя колебательной системы) находилась в той части характеристики усилителя, где крутизна характеристики мала.
Вольтамперная характеристика усилительного элемента генератора
Рис. 3
(белыми кружками на графике обозначены точки устойчивого равновесия, черным – точка неустойчивого равновесия)
На рис. 3 представлена зависимость средней крутизны характеристики S генератора, работающего в жестком режиме от амплитуды колебаний. Штриховой линией отмечен уровень, характеризующий диссипацию энергии колебаний в генераторе. Как можно видеть, при амплитуде колебаний, близкой к нулю, потери превосходят уровень энергии, вносимый в систему от внешнего источника, поэтому самовозбуждения колебаний не происходит – состояние покоя является устойчивым. Однако в том случае, если система была выведена из состояния равновесия и амплитуда имеет значение, большее определенной величины, произойдет следующее. Коэффициент усиления повысится, энергия, вносимая в систему от внешнего источника за один период колебаний, превысит уровень потерь в генераторе, амплитуда колебаний начнет увеличиваться до тех пор, пока средняя крутизна характеристики вновь не сравняется с уровнем потерь энергии в системе. Достигнутое при этом значение амплитуды является устойчивым.
Данное явление возникает из-за определенного соотношения величин диссипации энергии колебаний в генераторе и притока энергии от внешнего источника, а также из-за особой зависимости коэффициента усиления усилительного элемента от амплитуды колебаний.
Генераторы, в которых используется жесткий режим возбуждения колебаний, характеризуются большим значением КПД по сравнению с генераторами, использующими мягкий режим возбуждения. При использовании жесткого режима для возбуждения колебаний необходимо отклонить систему от состояния равновесия, так как существует ограничение на минимальное значение амплитуды колебаний.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Применение эффекта
Жесткий режим возбуждения обычно применяют там, где требуется высокое значение потерь энергии при небольшой мощности, отдаваемой генератором.
Генератор возбуждается в жестком режиме в том случае, если коэффициент усиления усилительного элемента зависит от амплитуды усиливаемого сигнала особым образом. Необходимо, чтобы при малом значении амплитуды коэффициент усиления был невелик, т.е. чтобы потери в генераторе превышали уровень регенерации сигнала. При повышении амплитуды колебаний коэффициент усиления начинает возрастать, в результате этого при определенной, отличной от нуля амплитуде колебаний условие существования незатухающих колебаний выполняется. Однако при достаточно больших значениях амплитуды сигнала коэффициент усиления вновь начинает убывать, пока уровни потерь и регенерации сигнала не сравняются, при этом будет достигнута максимально возможная амплитуда колебаний.
Реализации эффекта
Механической разновидностью автоколебательной системы, работающей в жестом режиме, являются маятниковые часы (рис. 4).
Источником энергии, за счет которого поддерживаются колебания маятника, является сжатая пружина или поднятый на определенную высоту груз (1 на рис. 4). С помощью специального храпового механизма (2 на рис. 4) маятник (3 на рис. 4) ограничивает вращение шестерни, толкаемой пружиной, так что вращение происходит на строго определенный угол за один период колебания маятника. Этот же храповой механизм поддерживает колебания маятника, не давая им затухнуть.
Как известно, маятниковые часы даже при полностью сжатой пружине (поднятом грузе) не пойдут, если амплитуда колебаний маятника нулевая или меньше определенного значения. Для того, чтобы часы пошли, необходимо толкнуть маятник – это признак того, что режим возбуждения колебаний в данной системе является жестким.
Преимущество данного типа часов заключается в экономичности, благодаря чему часы подобного типа заводить можно реже.
Маятниковые часы
Рис. 4
Одним из наиболее распространенных типов автоколебательных систем является генератор электрических колебаний (рис. 5). В качестве усилительного элемента в данном типе генератора используется полевой.
Схема генератора электрических колебаний
Рис. 5
В зависимости от положения рабочей точки, данный генератор может работать как в жестком, так и в мягком режиме.
Вольтамперная характеристика усилительного элемента генератора
Рис. 6
(белыми кружками на графике обозначены рабочие точки, соответствующие жесткому режиму)
Типичная вольтамперная характеристика усилительного элемента (рис. 6) содержит линейный участок с касательной, имеющий относительно большой угол наклона, а также области, где характеристика является практически параллельной оси абсцисс. Производная от вольтамперной характеристики, показанной на данном рисунке, называется крутизной характеристики S. Для того, чтобы генератор работал в жестком режиме, необходимо, чтобы рабочая точка (точка, соответствующая состоянию покоя колебательной системы) находилась в той части характеристики усилителя, где крутизна характеристики мала.
Вольтамперная характеристика усилительного элемента генератора
Рис. 7
(белыми кружками на графике обозначены точки устойчивого равновесия, черным – точка неустойчивого равновесия)
На рис. 7 представлена зависимость средней крутизны характеристики S генератора, работающего в жестком режиме, от амплитуды колебаний. Штриховой линией отмечен уровень, характеризующий диссипацию энергии колебаний в генераторе. Как можно видеть, при амплитуде колебаний, близкой к нулю, потери превосходят уровень энергии, вносимый в систему от внешнего источника, поэтому самовозбуждения колебаний не происходит – состояние покоя является устойчивым. Однако в том случае, если система была выведена из состояния равновесия и амплитуда имеет значение, большее определенной величины, произойдет следующее. Коэффициент усиления повысится, энергия, вносимая в систему от внешнего источника за один период колебаний, превысит уровень потерь в генераторе, амплитуда колебаний начнет увеличиваться до тех пор, пока средняя крутизна характеристики вновь не сравняется с уровнем потерь энергии в системе. Достигнутое при этом значение амплитуды является устойчивым.
Литература
1. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. – М.: Наука, 1978.
2. Теодорчик К.Ф. Автоколебательные системы. – М.: Гостехиздат, 1952.
3. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. – М.: Наука, 1964.
Узлы, детали и элементы радиоэлектронной аппаратуры
Радиопередающие и радиоприемные устройства
СВЧ-техника