Глава 8 Автогенераторы

Автогенераторами называют электронные цепи, формирующие напряжение (ток) требуемой формы. В данной главе рассмотрены автогенераторы гармонических (синусоидальных) и прямоугольных колебаний.

8.1. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

На рис. 8.1 приведена структурная схема автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи b. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др.

Рис. 8.1. Структурная схема автогенератора

Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: RL-контуры и RC-четырехполюсники.

Если считать, что напряжения u_вх и u_вых близки к синусоидальным, то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды U_m.max и U_m.min имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:

K∙β = 1; (8.1)

φ + ψ = 0; 2π (8.2)

где К и β — модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи, а φ и ψ — сдвиг фаз между выходными и входными напряжениями усилителя и звена обратной связи.

Равенство (8.1) называется условием баланса амплитуд, а равенство (8.2) — условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (8.1) должно удовлетворять соотношению

K∙β >= 1; (8.3)

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе рассмотрим на примере генератора синусоидальных колебаний, схема которого изображена на рис. 8.2, а. В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком. Звеном обратной связи является катушка L_c, включенная и стоковую цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой L_k резонансного контура L_kС_к. Первоначально колебания в автогенераторе возникают или из-за флуктуации тока в транзисторе, колебательном контуре, или при подаче напряжения питания. По этим причинам при условии R_эк < √(L_kC_k) (R_эк— эквивалентное активное сопротивление контура, определяющее активные потери) появляются слабые колебания с частотой ω = 1/√(L_kC_k), которые в отсутствие положительной обратной связи должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит. Действительно, появившееся на контуре напряжение u_k усиливается транзистором.

Эти колебания через катушку L_c, индуктивно связанную с катушкой L_k вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает (рис. 8.2, б), что соответствует условию K∙β > 1. По мере роста амплитуды напряжения в цепи затвора усилителя из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок ab на рис. 8.2, б) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение Kβ становится равным единице. При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму автоколебаний.

Рис. 8.2. Генератор синусоидальных колебаний.

Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте w₀ потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания Е_с через катушку L_c. Отметим, что баланс амплитуд обусловливает неизменную амплитуду стационарных колебаний.

Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180°, что видно из (8.2): φ = —ψ. Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных катушек L_c и L_к (направления намотки витков катушек резонансного контура и стоковой цепи должны быть противоположными). Так же как и баланс амплитуд, баланс фаз поддерживается в автогенераторе автоматически. Каждый из сдвигов фаз в условии (8.2) зависит от частоты по-разному, но для появления автоколебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, равная резонансной частоте контура. Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний.

В автогенераторах широко применяется автоматическое смешение рабочей точки на характеристиках, позволяющее выбрать необходимый режим усиления усилителя. В рассматриваемом автогенераторе в цепь затвора включено звено R₃C₃ для создания на затворе отрицательного смещения U_З0 относительно истока. При появлении положительной полуволны напряжения контура u_k через затвор проходит ток i₃, который заряжает конденсатор С₃. В результате на затворе появляется отрицательный потенциал относительно истока. В отрицательный полупериод напряжения u_k ток i₃ равен нулю и конденсатор С₃ разряжается через резистор R₃, поддерживая на затворе отрицательный потенциал. Если выполнить условие R₃C₃ >> Т, где Т — период автоколебаний, то конденсатор не будет успевать заметно разряжаться и, следовательно, напряжение смещения U_З0 будет практически постоянным. Соответствующий выбор значений сопротивления R₃ и емкости С₃ обеспечивает работу автогенератора в требуемом режиме усиления. Для данной схемы резистор R₃ имеет сопротивление в несколько мегаом, а конденсатор — емкость около 100 пФ.

Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, то появляются колебания сложной формы (в том числе прямоугольной), состоящей из нескольких гармонических составляющих или большого числа гармоник.

Автогенераторы по виду элементов, входящих в звенья обратной связи, подразделяются на LC-автогенераторы (высокочастотные) и RC-автогенераторы (низкочастотные)

8.2. LC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

LC-автогенераторы синусоидальных колебаний выполняют обычно на однокаскадном усилителе, в котором LC-контур включают как звено положительной обратной связи последовательно с транзистором или параллельно ему. Второй вид включения LC-звена был рассмотрен в § 8.1.

Этот тип автогенератора имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что элементы колебательного LC-контура находятся под низким напряжением. Такой автогенератор довольно часто применяется в устройствах промышленной электроники. Однако большим к.п.д. и большей мощностью генерируемых колебаний обладает автогенератор, схема которого изображена на рис. 8.3, где LC-контур включен последовательно с транзистором по отношению к источнику питания.

Рис. 8.3. Схема генератора синусоидальных колебаний, в котором LC-контур включен последовательно с транзистором

Элементы LC-контура находятся под более высоким напряжением, чем в рассмотренном автогенераторе. Это приводит к тому, что конденсатор той же емкости надо выбирать большего размера.

Чтобы избавиться от этого недостатка и сохранить достоинства, которые отмечались, LC-контур включают через разделительный конденсатор С_р параллельно (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема генератора синусоидальных колебаний, в котором LC-контур включён параллельно с транзистором

Конденсатор С_р не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную катушку I_к. Дроссель L_p предотвращает короткое замыкание контура по переменной составляющей через источник питания Е_с. Такой генератор называют генератором с параллельным питанием в отличие от генератора с последовательным питанием. Разновидностью последнего типа автогенератора является трехточечный автогенератор, в котором LC-контур включается не двумя точками, как обычно, а тремя.

Различают два типа трех точечных автогенератором: индуктивный трехточечный автогенератор («индуктивная трехточка») и емкостный трехточечный автогенератор («емкостная трехточка»). Включение LC-контура тремя точками позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура.

На рис. 8.5, а изображена схема индуктивного, а на рис. 8.5, б — емкостного трехточечного автогенератора.

Рис. 8.5. a) LC — генератор, собранный по схеме индуктивной трехточки; б) LC — генератор, собранный по схеме емкостной трёхточки; в) схема генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе.

Анализ обеих схем показывает, что для создания колебательного контура, настроенного в резонанс, необходимо, чтобы реактивные проводимости противоположных ветвей контура при идеальных конденсаторах и индуктивных катушках были равны:

для индуктивной трехточки

для емкостной трехточки

Условие баланса фаз в трехточечных автогенераторах выполняется благодаря тому, что напряжение обратной связи U_ос (рис. 8.5) и напряжение на контуре U_K по отношению к шине «—» Е_с (знак ) находятся в противофазе. Условие баланса амплитуд на заданной частоте создается регулированием значений индуктивностей L1, L2 или емкостей C1, С2.

В автогенераторах могут наблюдаться искажения синусоидальной формы колебаний, что означает соблюдение условий самовозбуждения для гармонических составляющих, близких к основной гармонике с частотой ω₀. Подобное явление обычно наблюдается в устройствах, у которых добротность контуров мала.

Чтобы исключить указанное явление, необходимо применять контуры с добротностью не менее 100. Кроме того, искажение формы генерируемых колебаний может происходить при большом коэффициенте обратной связи β: чем больше β, тем больше будет искажена форма генерируемых колебаний. Действительно, несмотря на ослабление контуром других, гармонических составляющих, близких к резонансной, для них все же будет выполняться условие баланса амплитуд. Регулировать величину β довольно затруднительно, поэтому обычно вводят отрицательную обратную связь. Например, в схеме рис. 8.5, а в истоковую цепь включают переменный резистор R_и. Изменением сопротивления этого резистора можно добиться оптимального значения коэффициента передачи звена отрицательной обратной связи, а следовательно, хорошей синусоидальной формы генерируемых колебаний.

Изменение частоты автоколебаний осуществляется изменением емкости конденсатора С_к колебательного контура в схеме рис. 8.5, а, а в схеме рис. 8.5, б — изменением индуктивности катушки колебательного контура L_к, что не всегда удобно, так как при этом нужно перемещать сердечник катушки или изменять число ее витков. Поэтому чаще применяют автогенератор с индуктивной трехточкой.

Изменение емкости конденсатора обычно осуществляют механическим перемещением одной из обкладок воздушного конденсатора. В последнее время в качестве конденсатора колебательного контура используют варикап, емкость которого изменяется путем изменения постоянного напряжения, подаваемого на варикап, что значительно упрощает перестройку частоты автоколебаний.

Отметим, что LC-автогенераторы выполняются и на операционных усилителях, но на частотах не свыше 15 МГц. Это объясняется тем, что выпускаемые в настоящее время операционные усилители на частотах свыше 15 МГц имеют, как правило, коэффициент усиления, равный единице. Принципиальная схема такого автогенератора изображена на рис. 8.5, в. Резисторы R1 и R2 образуют цепь отрицательной обратной связи. Резонансный LC-контур включен как звено положительной ОС.

8.3. RC-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RC-четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название RC-автогенераторов. Применение RC-четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а такой электрический параметр, как добротность, ниже необходимых требований. С помощью RC-автогенераторов можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц, однако преимущества RC-автогенераторов проявляются именно на низких и инфранизких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов RC-автогенераторы обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы, Для создания RC-автогенераторов широко используют биполярные транзисторы, а в последнее время полевые транзисторы и операционные усилители в интегральном исполнении.

В соответствии со структурной схемой автогенератора, изображенной на рис. 8.1, RC-автогенератор также содержит усилитель (обычно однокаскадный или двухкаскадный) и звено обратной связи, являющееся частотно-зависимой RC-цепью. Как правило, такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RC-цепи (рис. 8.6, а, б), мост Вина (рис. 8.6, в) и двойной Т-образный мост (рис. 8.6, г).

Рис. 8.6. Частотно-зависимые RC-цепи

RC-автогенератор с Г-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 8.7, а). Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100 %-ная отрицательная обратная связь. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи в усилителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопротивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, а этим условиям отвечают в наибольшей степени усилители на полевых транзисторах, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте f₀ = 1/(15,4∙RC), а баланс амплитуд — при коэффициенте усиления усилителя К >= 29.

Если в автогенераторе, схема которого представлена на рис. 8.7, а, поменять местами резисторы и конденсаторы (рис. 8.7, б), то генерация автоколебаний будет на частоте f₀ = 1/(7,5∙RC) при коэффициенте усиления усилителя К >= 18,4.

Рис. 8.7. RC — генератор с Г-образным RC-звеном обратной связи

Отметим, что Г-образные RC-цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличением количества звеньев в автогенераторе рис. 8.7, а можно повысить частоту генерации; еще большего увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в RC-цепи того же генератора.

Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменить одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными RC-цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне.

Рассмотренный RC-автогенератор имеет ряд недостатков:

1) цепь обратной связи сильно шунтирует каскад усилителя, вследствие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т. е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми; 2) генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f₀; это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RC-цепей.

8.4. АВТОГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА ЭЛЕМЕНТАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Можно показать, что в рассмотренных автогенераторах положительная обратная связь превращает транзистор в прибор с отрицательным сопротивлением, который компенсирует положительное сопротивление контура R_эк, обусловленное потерями энергии.

Как известно, отрицательное сопротивление возникает тогда, когда увеличение напряжения на элементе вызывает уменьшение тока в нем. Возникновение в колебательном контуре незатухающих колебаний возможно также в том случае, если вместо положительной обратной связи параллельно контуру включить прибор, обладающий отрицательным сопротивлением (рис. 8.8, а); при этом должно соблюдаться условие R_д =< R_эк, где R_д — отрицательное динамическое сопротивление прибора, подключаемого к колебательному контуру.

К приборам, имеющим отрицательное сопротивление, относят туннельные и обращенные диоды; терморезисторы, тиристоры и другие приборы, у которых вольт-амперная характеристика имеет падающий участок (рис. 8.8, б). Рабочую точку А обычно выбирают посередине падающего участка.

Рис. 8.8. Обобщённая схема LC — генератора на элементе с отрицательным сопротивлением

Наибольшее применение в автогенераторах гармонических колебаний получили туннельные диоды.

В таком автогенераторе частота генерируемых колебаний:

где L_к и С_к _ индуктивность катушки и емкость конденсатора колебательного контура; R_эк — эквивалентные активные потери в контуре.

Туннельные диоды в автогенераторах позволяют получить колебания с частотой до 100 ГГц, т. е. колебания диапазона СВЧ.

Широкое применение туннельных диодов объясняется их малыми габаритами, массой и высокой экономичностью. Отметим, что наиболее целесообразно использовать туннельные диоды для получения колебаний в диапазоне СВЧ, где их преимущества проявляются в наибольшей степени.

8.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ

Стабильность частоты автогенераторов является одним из важнейших параметров, в значительной степени определяющих надежность и точность работы устройств промышленной электроники. Нестабильность частоты генерируемых колебаний зависит от изменений температуры, влажности, давления, от механических воздействий, колебаний напряжения питания, внешних электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов. Воздействие дестабилизирующих факторов на стабильность частоты проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и RC-цепей обратных связей. Стабильность частоты автогенераторов зависит также от паразитных емкостей и индуктивностей и их изменений, которые так или иначе влияют на частоту f₀ и которые необходимо учитывать при расчетах и настройке автогенераторов.

Влияние температуры сказывается на изменениях линейных размеров индуктивных катушек и конденсаторов. Так, с повышением температуры линейные размеры указанных элементов изменяются, что влечет за собой изменение емкости и индуктивности колебательного контура соответственно на DC и DL. Относительное изменение емкости конденсатора ΔС/С при изменении температуры на 1 °C называют температурным коэффициентом емкости (ТКС). Он может быть как положительным, так и отрицательным. Например, керамические конденсаторы выпускают с положительным ТКС порядка (30…50)∙10^-6 1/°С и с отрицательным ТКС (30–50)∙10^-6 1/°С. Относительное изменение индуктивности катушки ΔL/L при изменении температуры на ГС называют температурным коэффициентом индуктивности (TKL).

У лучших по термостабильности катушек TKL имеет значение (50…100)∙10^-6 1/°С. При изменении температуры изменяется и сопротивление резисторов. Относительное изменение сопротивления резистора ΔR/R при изменении температуры на 1 °C называют температурным коэффициентом сопротивления (ТKR). Оно также может быть положительным и отрицательным. У линейных углеродистых резисторов широкого применения типов ВС и УЛИ TKR отрицательный и имеет значение —10^-3…10^-5 1/°С. Металлизированные резисторы широкого применения, например типа МЛТ, имеют положительный TKR порядка 10^-4 1/°С.

Следует отметить также, что на нестабильность генерируемой частоты, вызванную изменением температуры, сильно влияют изменения параметров транзисторов. Нестабильность частоты автогенераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности Δf/f₀, где f₀— рабочая (номинальная) частота автогенератора; Δf — отклонение частоты от рабочей.

Для уменьшения нестабильности частоты используют различные способы стабилизации частоты. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты.

Параметрическая стабилизация частоты сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту генерируемых колебаний, а также к подбору элементов генератора, обеспечивающих минимальные изменения частоты. Для уменьшения влияния температуры на изменение емкости конденсаторов и сопротивления резисторов в автогенератор включают конденсаторы и резисторы с отрицательными и положительными ТКС и TKR. Снижение воздействия температуры на индуктивность катушек достигается за счет применения специальных материалов для каркасов катушек. Для исключения влияния температуры на параметры транзисторов в отдельных случаях автогенераторы помещают в термостат.

Уменьшение влияния механических ударов и вибрации достигается применением массивных корпусов (шасси), на которых крепят детали автогенератора, амортизационных прокладок из губчатой резины, специальных подвесок и т. д. Печатный монтаж и использование проводов индуктивных катушек, вжигаемых в керамику, практически полностью устраняют влияние механических воздействий. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 1^-5.

Для уменьшения воздействия внешних электромагнитных полей автогенераторы обычно полностью экранируют. Применение стабилизаторов напряжения исключает влияние на частоту колебаний питающего напряжения.

Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность частоты, обычно порядка 10^-8. Индуктивность кварца L_кв может быть значительной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца С_кв мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении R_кв порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает 10⁵…10⁶, т, е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — катушке индуктивности и конденсаторе.

Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливают его различное включение в автогенератор. Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур (рис. 8.9, а) или в трехточечный автогенератор как индуктивный элемент ветви колебательного контура (рис. 8.9, б).

Рис. 8.9. Схемы автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты

Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — у некоторых кристаллов она имеет значение 10^-8.

В схеме рис. 8.9, б кварц включен как индуктивный элемент. Вместе с межэлектродными емкостями С_си и С_зи рассматриваемый автогенератор представляет собой емкостную трехточку, что видно из его схемы.

Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенераторах, работающих на фиксированных частотах (низкой и высокой), что является ее недостатком. Рассмотренные кварцевые автогенераторы являются простейшими. Современный кварцевый автогенератор с высокой стабильностью частоты представляет собой довольно сложное устройство, содержащее стабилизаторы напряжения питания, а также такие элементы параметрической стабилизации, как амортизаторы и влагозащитные корпуса. Для получения стабильных колебаний звуковой и инфранизкой частот служат камертонные и магнитострикционные вибраторы, выполненные из специальных сплавов. В СВЧ-генераторах в качестве стабилизирующих контуров применяют устройства, называемые полыми резонаторами, с добротностью 10⁴…10⁵.

8.6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Импульсы прямоугольной формы имеют резкие перепады напряжения и тока во время формирования фронта и среза, поэтому их можно отнести к колебаниям релаксационного типа, для которых характерны скачкообразные изменения напряжения и тока.

Генераторы, которые вырабатывают такие колебания, называют релаксационными. Широкое распространение нашли релаксационные генераторы на основе усилителей с положительной обратной связью (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Преобразование двухкаскадного УЗЧ в мультивибратор

На рис. 8.10, а изображена схема двухкаскадного усилителя звуковой частоты с выходом на головные телефоны. Если выход такого усилителя соединить с его входом, как на рис. 8.10, а показано штриховой линией, то между каскадами возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится — станет генератором прямоугольных колебаний, и в телефонах мы услышим звуковой сигнал.

Теперь посмотрим на рис. 8, 10, б. На нем изображена схема того же усилителя, только начертание ее несколько изменилось. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов.

В мультивибраторе оба транзистора могут находиться в активном режиме очень короткое время, так как в результате действия положительной обратной связи схема скачком переходит в состояние, когда один транзистор открыт, а другой закрыт. Примем для определенности, что в момент времени t_о транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Схема простейшего мультивибратора на транзисторах

Конденсатор С1 за счет тока, протекавшего в схеме в предыдущие моменты времени, заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что к базе транзистора VT2 относительно эмиттера приложено отрицательное напряжение и VT2 закрыт. Поскольку один транзистор закрыт, а другой открыт и насыщен, в схеме не выполняется условие самовозбуждения, так как коэффициенты усиления каскадов К1 = К2 = 0. В таком состоянии в схеме протекают два процесса. Один процесс связан с протеканием тока перезарядки конденсатора С1 от источника питания по цепи: резистор R1 — открытый транзистор VT1.

Второй процесс обусловлен зарядкой конденсатора С2 через резистор R_к2 и базовую цепь транзистора VT1, в результате напряжение на коллекторе транзистора VT2 увеличивается (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Временные диаграммы мультивибратора

Поскольку резистор, включаемый в базовую цепь транзистора, имеет бóльшее сопротивление, чем коллекторный резистор (R1 > R_к2), время зарядки конденсатора С2 меньше времени перезарядки конденсатора С1.

Процесс зарядки конденсатора С2 носит экспоненциальный характер с постоянной времени τ₂ = R_к2C2. Следовательно, время зарядки конденсатора С2, а также время нарастания коллекторного напряжения u_кэ2, т. е. длительность фронта импульса τ_ф1 = (3…5)R_к2C2. За это время конденсатор С2 заряжается до напряжения U_C2= U_п — U_{бэ. нас} ~= U_п, где U_п — напряжение источника питания.

В связи с перезарядкой конденсатора С1 напряжение на базе u_бэ2 транзистора VT2 нарастает, но пока u_бэ2 < U_отп ~= U_бэ.нас транзистор VT2 закрыт, а транзистор VT1 открыт, поскольку его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания через резистор R2. Базовое u_бэ1 и коллекторное u_кэ1, напряжения транзистора VT1 при этом не изменяются. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.

В момент времени t₁ по мере перезарядки конденсатора напряжение на базе транзистора VT2 достигает напряжения открывания и транзистор VT2 переходит в активный режим работы, для которого К2 > 1. При открывании VT2 увеличивается коллекторный ток i_к2 и соответственно уменьшается u_кэ2. Уменьшение u_кэ2 вызывает снижение базового тока транзистора VT1, что в свою очередь приводит к уменьшению коллекторного тока i_к1. Снижение тока i_к1 сопровождается увеличением базового тока транзистора VT2, поскольку ток, протекающий через резистор R_к1, ответвляется в базу транзистора VT2, и Δi_б2 = — Δi_к1. После того как транзистор VT1 выйдет из режима насыщения, в схеме выполняется условие самовозбуждения К1 > 1. При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается, когда транзистор VT2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT1 — в режим отсечки.

В дальнейшем практически разряженный конденсатор C1 (u_c1 = U_{БЭ. нас} — U_{КЭ. нас}) заряжается от источника питания по цепи: резистор R_к1 — базовая цепь открытого транзистора VT2 по экспоненциальному закону с постоянной времени τ₁ = R_к1∙C1. В результате в течение времени τ_ф1 = (3…5)С1∙R_к1 происходит увеличение напряжения на конденсаторе С1 до u_c1 = U_п — U_{БЭ. нас} и формируется фронт коллекторного напряжения и_к| транзистора VT1.

Закрытое состояние транзистора VT1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения U_n конденсатор С2 через открытый транзистор VT2 подключен к промежутку база-эмиттер транзистора VT1, чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. С течением времени запирающее напряжение на базе изменяется, поскольку конденсатор С2 перезаряжается по цепи: резистор R2 — открытый транзистор VT2. В момент времени t₂ напряжение на базе транзистора VT1 достигает значения u_отп ~= U_БЭ и он открывается.

В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор VT1 переходит в режим насыщения, a VT2 закрывается. Конденсатор С1 оказывается заряженным до напряжения u_c1 = U_п — U_{БЭ. нас}, а конденсатор С2 практически разряжен (u_c2 = U_{БЭ. нас} — U_{КЭ. нас}). Это соответствует моменту времени t₀, с которого началось рассмотрение процессов в схеме. На этом полный цикл работы мультивибратора заканчивается, так как в дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Как следует из временной диаграммы (рис. 8.12), в мультивибраторе периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае, когда нагрузка подключается к коллектору транзистора VT2, длительность импульсов t_и определяется процессом перезарядки конденсатора С1, а длительность паузы t_п3 — процессом перезарядки конденсатора С2.

Примерную частоту колебаний мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: f = 700/(RC), где f — частота в герцах, R — сопротивление базовых резисторов в килоомах, С — емкость конденсатора связи в микрофарадах.

8.7. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

8.7.1. Генератор для настройки радиоаппаратуры [19]

Предлагается схема несложного генератора (рис. 8.13) для ремонта и настройки радиовещательных приемников и бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры.

Рис. 8.13. Схема генератора для настройки аппаратуры

В отличие от опубликованных ранее подобных схем, в нем отсутствуют их основные недостатки:

— нет намоточных элементов;

— нет необходимости пользоваться различными выходными зажимами или переключателем ВЧ-НЧ, т. к. сигнал на выходе состоит из НЧ (1 кГц) и ВЧ (465 кГц), промодулированной по амплитуде.

Для генератора характерны:

• простота настройки;

• широкий диапазон питающих напряжений.

Каскад на транзисторе VT1—генератор НЧ с частотой пример но 1 кГц близкой к синусоидальной форме, VT2 — истоковый повторитель и модулятор, УТЗ — генератор ВЧ (465 КГц) с пьезокерамическим фильтром (ПКФ) в цепи ОС. R6 задаст режим работы каскада, R7 служит нагрузкой. Конденсатор С5 является блокировочным для ВЧ.

На транзисторе VT4 собран эмиттерный повторитель, через который на выход поступают одновременно НЧ и ВЧ.

Благодаря высокой стабильности и малому отклонению от стандартной ПЧ, имеется возможность настроить контуры ПЧ на 465 кГц. Настройка пробника сводится к подбору R4 так, чтобы напряжение на коллекторе VT1 равнялось половине напряжения питания, и подбору R6 (без включенного ПКФ) до напряжения на коллекторе VT3, равного примерно трети напряжения питания. При соотношениях R5 = R4/B1 и R7 = R6/B3 настройка не требуется. Здесь В1 и ВЗ — статические коэффициенты усиления по току транзисторов VT1 и VT3 соответственно.

VT2 можно заменить обычным биполярным транзистором в соответствующем включении: Б — затвор, К — сток, Э — исток. ПКФ — типа ФП1П — 022…027.

8.7.2. Генератор ВЧ [20]

Предлагается схема ГВЧ с повышенной стабильностью (рис. 8.14). Она обладает большими входным и выходным сопротивлениями и меньшей выходной емкостью, чем стандартная индуктивная трехточка. Транзисторы включены по схеме «Общий сток — общая база», VT1 служит для развязки. Выходное напряжение генератора — 0,1…0,2 В. В цепь коллектора VT1 может быть включен (обязательно через резистор 50…100 Ом) дополнительный контур, настроенный на основную частоту или гармонику. Возможные варианты включения основного контура показаны на рис. 8.15. Конденсатор С2 может иметь емкость порядка единиц пикофарад. Движок R2 устанавливают в нижнее по схеме положение и двигают до получения генерации на самой низкой частоте контура. Для получения гармоник движок устанавливают выше. Если стабильность не так важна, а нужна равномерность по амплитуде, применяют полное включение контура. На НЧ-диапазонах его шунтируют резистором величиной несколько килоом.

Рис. 8.14. Схема генератора высокой частоты

При включении по схеме рис. 8.15, а нужно количеством витков до отвода в катушке L1 добиться генерации на нижней частоте контура, т. к. возбуждение происходит на паразитной частоте нижней части катушки. На схеме рис. 8.15, г емкость С2 для КВ диапазонов — несколько сотен пикофарад. Кварц ZQ возбуждается также и на гармониках.

Генератор работает при напряжении питания 7…24 В. Его недостатком является начальный выбег частоты, так как напряжение на контуре может составлять десятки вольт (в схеме рис. 8.15, в оно равно U_кб VT3). С_б должен иметь минимальную длину выводов. Генератор устойчиво работает на частотах от 10 кГц до 200 МГц и выше (определяется паразитной емкостью С_кэ VT3).

Рис. 8.15. Возможные варианты подключения колебательного контура к генератору ВЧ

8.7.3. Перестраиваемый генератор синусоидального сигнала [21]

Если для какого-либо устройства необходим генератор с частотной полосой в пределах от 35 до 550 кГц, его удобно собрать на микросхеме К525ПС2. Этот генератор прост по схеме, позволяет легко перестраивать частоту, не содержит катушек, обеспечивает стабилизированное выходное напряжение около 7 В (амплитудное значение) при хорошей форме сигнала. К недостаткам можно отнести ограниченную частотную полосу.

Микросхема К525ПС2 представляет собой функционально законченное устройство для выполнения операций над аналоговыми сигналами — умножения, деления, извлечения квадратного корня и возведения в квадрат. Выбор выполняемой операции определяют соответствующим включением микросхемы.

Упрощенно структура этой микросхемы показана на рис. 8.16.

Рис. 8.16. Упрощенная структурная схема микросхемы К525ПС2

Рис. 8.17. Принципиальная схема перестраиваемого генератора

В ее состав входит перемножитель сигналов А1 и операционный усилитель А2. Перемножитель имеет два сигнальных входа X и У и два входа Х_см и У_см — для подачи напряжения смещения. Входы смещения служат для точной балансировки перемножителя. Вместе с выходным сигналом перемножителя на инвертирующий вход операционного усилителя А2 поступает и сигнал с входа Z.

По сопротивлению резисторы R1 и R2 одинаковы, что позволяет использовать ОУ в качестве инвертора соединением выхода микросхемы (на выводе 2) и входа Z. Вход Z_см предназначен для балансировки ОУ.

В описываемом генераторе (рис. 8.17) микросхема работает усилителем, управляемым напряжением. На вход X через цепь R2C2 подан сигнал положительной обратной связи, а на вход Y — управляющий сигнал с цепи АРУ. Основные частото-задающие элементы — С3 и R3. Они включены в цепь отрицательной ОС операционного усилителя микросхемы.

Перестройка частоты при неизменном выходном напряжении оказалась возможной благодаря автоматическому регулятору усиления (АРУ), в который входят транзистор VT1, стабилитрон VD1, диод VD2 и цепь R1C1. Работает регулятор следующим образом.

Допустим, что по какой-либо причине переменное выходное напряжение генератора (на выводе 2 микросхемы) увеличилось. Отрицательные его полупериоды не пропустит диод VD2, а положительные пройдут через стабилитрон VD1, который уменьшит их амплитуду на напряжение стабилизации. Далее эти импульсы поступают на базу транзистора VT1 и будут открывать его. Напряжение на коллекторе транзистора, а значит, и на входе Y микросхемы соответственно уменьшится. В результате уменьшится напряжение и на выходе микросхемы. Конденсатор С1 служит для подавления импульсов в цепи АРУ и придания ей необходимой инерционности.

Сопротивление резистора R3 не должно быть меньше 750 Ом, максимальное же может достигать 22…56 кОм в зависимости от емкости конденсатора С3 и эффективности АРУ, которая в свою очередь зависит от статического коэффициента передачи тока базы транзистора VT1 (чем он больше, тем лучше). В небольших пределах частоту генератора можно регулировать изменением сопротивления резистора R2; его минимальное значение — 3 кОм.

Работу генератора удобно контролировать, измеряя постоянное напряжение на коллекторе транзистора VT1. Оно должно быть и пределах от 0,2 до 7 В. Это означает, что АРУ и весь генератор и целом работают в нормальном режиме. Если измеренное напряжение менее 0,2 В, то на вход Y_NC микросхемы DA1, отключив его oт общего провода, необходимо подать напряжение смещения в пределах 0…+ 10 В, которое можно снять с делителя из двух резисторов (на схеме он не показан). Конкретное значение напряжения смещения подбирают экспериментально. Потребность в смещении обычно возникает при понижении частоты генерации до 60 кГц и менее. Если же напряжение на коллекторе транзистора VT1 более 7 В, то напряжение смещения должно быть отрицательным.

Типовые значения номиналов элементов и соответствующие пределы изменения генерируемой частоты указаны в таблице 8.1 (напряжение смещения подводить к входу Y_NC микросхемы DA1).

Транзистор VT1 — любой маломощный кремниевый, желательно высокочастотный. Диод VD2 — также любой кремниевый. Выбор конденсаторов зависит от требований, предъявляемых к стабильности частоты.

8.7.4. Комбинированный генератор

Этот генератор позволяет проверить работоспособность радиовещательных приемников как на высокой, так и на промежуточной и низкой частотах. Диапазон частот, перекрываемый генератором, составляет 0,15…2 МГц. Частота генератора звуковой частоты фиксированная — 2 кГц.

Генератор собран на двух транзисторах (рис. 8.18, а), соединенных между собой так, что они образуют аналог тринистора, в котором анодом можно считать вывод эмиттера транзистора VT1, катодом — вывод эмиттера транзистора VT2, а управляющим электродом — соединенные вместе базовый и коллекторный выводы транзисторов VT1 и VT2 соответственно.

Рис. 8.18. Схема комбинированного генератора (а)

В сочетании с другими деталями (резисторы R1—R3, конденсатор С1) аналог тринистора образует релаксационный генератор. Но в этой схеме аналог тринистора работает как аналог динистора. С помощью резисторов R2, R3 на управляющий электрод подается постоянное напряжение смещения, которое определяет напряжение переключения U_ПРК этого аналога динистора.

После включения напряжения источника питания Е, которое выбирается из условия Е > U_ПРК, конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. Напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на аноде аналога растет по экспоненте до тех пор, пока несколько не превысит напряжение U_ПРК аналога, которое можно менять подбором сопротивления резистора R2.

В этот момент аналог динистора переключается в открытое состояние, а конденсатор С1 разряжается (рис. 8.18, б) через аналог динистора и колебательный контур, который работает в режиме ударного возбуждения и в котором возбуждаются синусоидальные колебания с частотой, определяемой параметрами контура, и амплитудой, убывающей по экспоненциальному закону. Длительность этих импульсов определяется добротностью колебательного контура с учетом сопротивления подключенной нагрузки, т. е. с учетом входного сопротивления проверяемого устройства.

Рис. 8.18. Комбинированный генератор (б)

Сопротивление резистора R1 выбирают таким, чтобы выполнялось условие:

Е/R1 < I_уд,

где I_уд — ток удержания динистора; Е — ЭДС источника питания.

Поэтому после разряда конденсатора С1 аналог динистора вновь закроется и цикл переключений будет повторяться.

По форме колебания на конденсаторе С1 несколько напоминают зубья пилы, частота следования импульсов лежит в диапазоне 1,5…2 кГц (частота повторения). Регулировка частоты повторения осуществляется либо изменением емкости конденсатора С1, либо изменением напряжения U_ПРК, т. е. подбором сопротивления резистора R2. Для повышения стабильности частоты повторения импульсов необходимо, чтобы Е > U_ПРК.

С эмиттера транзистора VT1 (с конденсатора С1) пилообразное напряжение через интегрирующую цепь R4R5C2 подается на гнездо XS1. Интегрирующая цепь сглаживает зубья, и колебания по форме приближаются к синусоидальным.

В положении «1» переключателя SA2 в колебательном контуре L3C3 в момент разряда конденсатора С1 возбуждаются затухающие синусоидальные колебания с частотой 0,15…0,5 МГц (диапазон ДВ) и подаются на гнездо XS2 через резистор R6. Резистор R6 и вывод выходного напряжения с части катушки индуктивности L3 уменьшают шунтирование колебательного контура L3C3 входным сопротивлением подключаемого к генератору устройства.

Когда переключатель SA2 находится в положении «2», к аналогу подключен колебательный контур L4C3. Перестройка конденсатора С3 обеспечивает перекрытие диапазона частот 0,5…1,6 МГц (диапазон СВ).

Транзистор VT1 может быть заменен транзистором КТ361 с любым буквенным индексом или КТ3107А-КТ3107Л; VT2 — КТ315А — КТ315И, KT312A-KT312B, КТ342А-КТ342Л. Вместо аналога можно использовать тиристор марки КУ101 с любым буквенным индексом, а получить нужную частоту следования импульсов можно путем подбора напряжения смещения на управляющем электроде с помощью делителя напряжения R2R3.

Конденсатор переменной емкости — КПТМ, КП180 или другой с указанными на схеме (или большими) пределами изменения емкости. Остальные конденсаторы — KЛC, КМ. Резисторы МЛТ-0,125 или ВС-0,125. Катушки индуктивности намотаны на каркасах от контуров ПЧ приемника «Альпинист» (диаметр каркаса 6,5 мм, высота 21 мм, подстроечник диаметром 2,8 мм и длиной 12 мм из феррита 600НН). Катушки L1, L3 наматывают на одном таком каркасе; L2, L4 — на другом. Катушка L1 содержит 15 витков провода ПЭВ-2 0,12, L2 — 5 витков такого же провода, L3 — 550 витков провода ПЭВ-2 0,08 с отводом от 35-го витка (считая от нижнего по схеме вывода), L4 — 180 витков ПЭВ-2 0,12 с отводом от 10-го витка. Переключатель SA2 типа МТЗ, выключатель питания SA1 типа МТ1. Источник питания — батарея «Крона», разъем ХТ1 — колодка от использованной «Кроны». Гнезда любой конструкции, но возможно меньших габаритов.

Большинство деталей генератора смонтированы на плате (рис. 8.18, в) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. На этой же плате укреплены выключатель питания и переключатель диапазонов. Плата с деталями прикреплена к крышке корпуса гайками, навинченными снаружи на выключатель и переключатель. Гнезда укреплены на боковой стенке крышки. Батарею питания размещают внутри корпуса, внешний вид которого показан на рис. 8.18, г.

Рис. 8.18. Комбинированный генератор (в)

Рис. 8.18. Комбинированный генератор (г)

Проверить работу генератора можно с помощью осциллографа. Между гнездом XS1 и корпусом (гнездо XS4) наблюдают колебания напряжения синусоидальной формы. Амплитуда их составляет примерно 0,2 В, частота около 2 кГц. При подключении осциллографа к гнезду XS2 на экране появляются короткие синусоидальные затухающие импульсы частотой следования около 2 кГц. Подобрав длительность развертки осциллографа так, чтобы наблюдались небольшие пачки импульсов (или одиночный импульс), рассматривают форму этих импульсов. Устанавливают ротор конденсатора переменной емкости в положение, соответствующее наибольшей емкости, и подбирают с помощью ферритового сердечника катушек L1, L3 наименьшую частоту диапазона — 0,15 МГц. Для этого можно воспользоваться промышленным генератором (если он имеется) и сравнить период высокочастотных колебаний образцового генератора с периодом синусоидальных колебаний импульсов. Перестройкой ферритового сердечника добиваются равенства этих периодов. Если промышленного генератора нет, длительность периода (частоту колебаний) можно определить приближенно, зная длительность развертки. Аналогично калибруют генератор и на втором диапазоне, когда переключатель SA2 находится в положении «2», а осциллограф подключен к гнезду XS3.

При отсутствии осциллографа можно использовать радиовещательный приемник, подавая на его вход сигнал с гнезда XS2 или XS3 и прослушивая в динамической головке звуковой сигнал при точной настройке приемника на частоту сигнала генератора. Частоту генератора в этом случае определяют по шкале приемника. Чтобы приемник не перегружался, сигнал от генератора нужно подать через конденсатор емкостью от 2 пФ и выше — емкость подбирают экспериментально.

8.7.5. Щуп-генератор на диоде с лямбда-характеристикой

При проверке работоспособности приемника или отыскании неисправности в нем совсем необязательно пользоваться сложной измерительной аппаратурой. Во многих случаях ее заменит простой щуп-генератор, содержащий несколько радиодеталей, в том числе два полевых транзистора (рис. 8.19, а). Полевые транзисторы образуют диод с лямбда-характеристикой, который имеет на вольт-амперной характеристике участок с положительным сопротивлением, как у обычного диода, и участок с отрицательным сопротивлением, как у туннельного диода.

Рис. 8.19. Схема щуп-генератора на диоде с лямбда-характеристикой (а)

Хотя на схеме показаны соединенными стоки транзисторов, аналогичные результаты получаются и при соединении истоков. Щуп-генератор вырабатывает электрические колебания синусоидальной формы частотой 2, 465 или 500 кГц, причем высокочастотные колебания промодулированы по амплитуде сигналом звуковой частоты 2 кГц. Таким образом, этим генератором можно проверять усилители звуковой и промежуточной частоты. Конструктивно он выполнен в виде одного основного узла — собственно генератора — и трех приставок — переходников со щупами на конце. При использовании того или иного переходника на выходе щупа-генератора получается соответствующий сигнал. Резонансная частота контура L1C1 около 2 кГц, а контуров L2C2 и L2C2C3 — 500 кГц и 465 кГц соответственно.

Питается генератор от источника GB1 с э.д.с. 2, 5 В. Напряжение подается на генератор при подключении к розетке XS1 одного из переходников. Соединения между штырьками вилки переходника задают тот или иной режим работы генератора. На рис. 8.19, б изображены схемы переходников. При подсоединении переходника «2 кГц» подключен только контур L1C1, переходников «500 кГц» или «456 кГц» — оба контура соответственно L1C1, L2C2 или L1C1, L2C2C3.

Рис. 8.19. Схема щуп-генератора на диоде с лямбда-характеристикой (б)

Вместо полевого транзистора КП303Г можно применить КП303В или КПЗОЗД, а вместо КП103А — КП103В. Оба транзистора в щупе желательно подбирать с одинаковыми или возможно близкими начальными током стока и напряжением отсечки. Если таких транзисторов нет, можно собрать схему аналога диода (рис. 8.20) на транзисторах КП103Л или КП103К. Они отличаются друг от друга напряжением отсечки.

Рис. 8.20. Схема аналога диода с лямбда-характеристикой

Для транзистора КП103К напряжение отсечки равно 4 В, а для КП103Л — 6 В. У транзистора КП303Д напряжение отсечки менее 8 В. Рабочая точка выбирается на середине падающего участка вольт-амперной характеристики аналога диода (рис. 8.21).

Рис. 8.21. Вольт-амперная характеристика аналога диода с лямбда-характеристикой

Для изменения (уменьшения) наклона отрицательного участка характеристики аналога диода можно включить между истоками транзисторов резистор (рис. 8.19, а). Конденсаторы в щупе-генераторе могут быть КЛС, КМ, КТ, К10-7В и другие малогабаритные, причем конденсаторы С2, С3 следует брать с возможно малым температурным коэффициентом емкости (группы П33, М33, Н30, МПО). Резисторы — типа MJIT-0,125. Катушка L1 намотана на кольце типоразмера К16х8х6 из феррита 600НН — 300 витков провода ПЭВ-2 0,08. Катушка L2 выполнена на стержне диаметром 2,8 мм и длиной 12 мм из феррита 150ВЧ (подстроечник контура KB-диапазона радиовещательного приемника) — она содержит 100 витков провода ПЭВ-2 0,12, размещенных в два слоя (намотка — виток к витку) на длине 9 мм. Источник питания — два последовательно соединенных элемента РЦ53 либо аккумуляторы Д-0,06, Д-0,1. При использовании аккумуляторов их можно периодически подзаряжать через гнезда 5 и 6 розетки XS1 без разборки конструкции. Розетка XS1 — типа СГ-5 с пятью гнездами-контактами. Контактом 6 служит ее корпус. В переходниках использованы вилки СШ-5, в которых контактом 6 также служит корпус.

Конструкция щупа-генератора показана на рис. 8.19, в. Большая часть деталей генератора смонтирована на небольшой плате из фольгированного материала. Одни детали размещены сверху, другие — снизу. На одном из концов платы сделан выступ, на который надевают катушку L1, на выступе укреплен пружинящий контакт — он касается вывода источника питания (на схеме контакты не показаны). Другой контакт выполнен в виде металлического диска, соединенного изолированным проводником с соответствующими деталями платы.

Рис. 8.19. Схема щуп-генератора на диоде с лямбда-характеристикой (в)

Плата с источником питания установлена внутри корпуса длиной 75 мм и внутренним диаметром 18 мм. Под плату в боковых стенках корпуса (он из двух половин) пропилены пазы. На торце корпуса укреплена розетка XS1, рядом с которой через отверстие выведен гибкий проводник (можно металлическую оплетку экранированного провода), подпаянный к корпусу розетки. На другом конце проводника припаян зажим типа «крокодил».

Общий вид генератора показан на рис. 8.19, г. Резистор R1 переходника и перемычка между контактами вилки смонтированы внутри ее корпуса. Иглу можно изготовить из толстой стальной проволоки или выточить из гвоздя.

Рис. 8.19. Схема щуп-генератора на диоде с лямбда-характеристикой (г)

Если нет возможности смонтировать генератор малогабаритным, то можно плату, корпус и все остальные узлы генератора выполнить по собственной конструкции, а в качестве источника питания можно взять два элемента с э.д.с. по 1,5 В.

Налаживание генератора сводится к установке требуемых частот подбором числа витков катушек индуктивности и конденсаторов контуров. В качестве измерительного прибора можно использовать осциллограф. Лучше всего эту операцию делать на макетной плате до установки деталей на плату генератора. Кроме того, подбирают резистор R1 с таким сопротивлением, чтобы генератор устойчиво работал при изменении напряжения питания от 3 до 1,8 В. Если осциллографа нет, то проверку и градуировку генератора можно осуществить с помощью радиовещательного приемника.

8.7.6. LC-генератор на логической микросхеме

Простой генератор синусоидальных колебаний можно собрать на логической микросхеме K155ЛA3 (рис. 8.22).

Рис. 8.22. Схема генератора синусоидальных колебаний на микросхеме K155ЛA3

Принципиальная схема одного из вариантов такого генератора приведена на рисунке. Без колебательного контура L1C3 — это обычный мультивибратор. Логические элементы DD1.1 и DD1.2 работают в режиме линейного усиления сигнала. Этот режим устанавливается подбором резисторов R1 и R2 (в пределах 0,2…1 кОм). Для повышения стабильности генерируемой частоты вместо конденсатора С2 можно подключить кварцевый резонатор.

Генератор работает в диапазоне частот 5,5…10 МГц. Амплитуда сигнала на выходе достигает нескольких вольт. Контурная катушка L1 содержит 16 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,3 мм с отводом от середины. Каркасом служит резистор МЛТ-1 2 МОм.

8.7.7. Дистанционное прослушивание магнитофона [22]

Многим читателям хотелось бы прослушивать магнитные записи, не мешая окружающим. Вашему вниманию предлагается описание очень простого устройства, которое позволяет слушать магнитные записи, находясь на расстоянии до 30 м от магнитофона, т. е. в любом месте квартиры или во дворе частного дома.

Устройство состоит из передатчика и приемника, работающих в диапазоне 27,12 МГц. Приемник питается от батареи «Крона», а передатчик — от источника питания магнитофона, хотя и для него можно использовать автономный источник питания.

Принципиальная схема передатчика приведена на рис. 8.23.

Рис. 8.23. Схема передатчика устройства для прослушивания фонограмм

Он состоит из генератора ВЧ, собранного на транзисторе, и однокаскадного усилителя 3Ч на транзисторе VT2. На вход последнего поступает сигнал с линейного выхода усилителя воспроизведения магнитофона. Этот сигнал модулирует амплитуду сигнала несущей частоты генератора передатчика (27,12 МГц), которая излучается антенной WA1. Приемник (рис. 8.24) включает в себя сверхрегенеративный детектор на транзисторе VT1 и однокаскадный усилитель 3Ч на транзисторе VT2. Входной контур приемника настроен на частоту передатчика 27,12 МГц. Принятый антенной приемника сигнал детектируется, усиливается усилителем 3Ч и воспроизводится телефоном.

Рис. 8.24. Схема приёмника устройства для прослушивания фонограмм

Передатчик размещен в футляре магнитофонной кассеты, размеры корпуса приемника несколько больше. В обеих конструкциях использованы постоянные резисторы МЛТ-0,125, подстросчный резистор приемника R2 — СПЗ-1. Конденсаторы передатчика С1-С3 — К10-7В, оксидный конденсатор С4 — К50-6 (можно К50-3 и К50-12). В приемнике конденсаторы С1—С4, С7 — КТ, С6 — КЛС, оксидные конденсаторы С5, С8 — такие же, как в передатчике.

Вместо транзисторов П416А, П416Б можно использовать П403, П422 со статическим коэффициентом передачи тока базы не менее 75 для приемника и не менее 60 — для передатчика. Транзистор МП42Б можно заменить любым из серий МП39, МП40 и МП41.

Катушки L1 и в передатчике, и в приемнике намотаны на полистироловых каркасах диаметром 7 мм. Они имеют подстроечники из феррита 600НН диаметром 2,8 и длиной 12 мм. Обмотки катушек содержат по 8,5 витков провода ПЭВ-2 0,15, намотанных виток к витку у основания каркаса. Дроссели L2 намотаны на корпусах резисторов МЛТ-0,5 сопротивлением не менее 500 кОм. Обмотка дросселя передатчика должна содержать 80…85 витков провода ПЭ8-2 0,12, а обмотка дросселя приемника 30 витков того же провода. Выключатели SA1 — любые малогабаритные. В качестве приемной и передающей антенн использован стальной упругий провод длиной 200 мм. Телефон — ТОН-1 или ТОН-2.

Перед настройкой аппаратуры необходимо прежде всего проверить работоспособность усилителя 34 и генератора ВЧ-передатчика. Затем в приемнике подстроечным резистором R2 установить на эмиттере транзистора VT2 напряжение 6 В относительно общего провода и измерить потребляемый от батареи ток. Он должен быть в пределах 12…15 мА. Отклонение величины тока как в меньшую, так и в большую сторону говорит об ошибке в монтаже или неисправности какой-либо детали.

Теперь приступают непосредственно к настройке. Для этого подключают вход усилителя 3Ч передатчика к выходу усилителя воспроизведения магнитофона. Затем ставят на магнитофон какую-либо кассету и включают магнитофон и передатчик. В последнюю очередь включают приемник и с помощью подстроечников катушек L1 передатчика и приемника настраивают их колебательные контуры на одинаковую частоту, добиваясь наиболее громкого звука в телефонах. Во время настройки приемник должен находиться на расстоянии 5 м от передатчика. После регулировок подстроечники катушек укрепить парафином.

8.7.8. Пробник для проверки кварцевых резонаторов [23]

Часто необходимо оперативно проверить работоспособность кварца и хотя бы приблизительно определить его резонансную частоту. Это бывает нужно при покупке кварцев на рынке с рук, при ремонте или конструировании аппаратуры, где используются старые кварцы.

Пробник собран на одной микросхеме типа K155ЛA3 (рис. 8.25), он имеет контрольный выход на частотомер или к антенне приемника для точного определения частоты кварца и светодиод, который указывает на наличие генерации кварца. С помощью переключателя SA1 и конденсаторов С2—С5 можно грубо определить диапазон частот, где «генерит» кварц.

Рис. 8.25. Схема пробника для проверки кварцевых резонаторов

Работает пробник следующим образом. При подключении кварцевого резонатора генератор на D1.1 DD1.2 возбуждается. При этом светодиод HL1 светится. По силе его свечения можно грубо определить диапазон генерации кварца и активность кварцевой пластины (конечно, при некотором опыте работы с прибором). Чем ниже частота генерации и чем активнее кварц, тем ярче будет светиться светодиод. Затем с помощью переключателя SA1 параллельно светодиоду подключаются шунтирующие емкости С2—С5. Емкость С2 «гасит» светодиод, когда генератор работает на частоте выше 14 МГц. Если на кварце указана другая частота, а в положении «1» светодиод не светится, значит, кварц не возбуждается, а генератор работает только за счет паразитной емкости кварца. Такой кварц неисправен. В положении «2» переключателя SA1 светодиод гаснет, если частота генерации выше 7 МГц. В положении «3» переключателя SA1 максимальная частота индикации — 2 МГц, а в положении «4» — 500 кГц. Емкости С2—С5 могyт немного отличаться от приведенных здесь номиналов из-за того, что различные типы конденсаторов имеют различное индуктивное сопротивление.

Пробник хорошо «генерит» с кварцами от 100 кГц до 18 МГц. Ниже 100 кГц «генерят» лишь отдельные экземпляры очень активных кварцев. Выше 18 МГц все кварцы гармониковые, поэтому их частоты генерации следует искать на частотах в 3-5-7 раз ниже, чем указано на корпусе кварца.

Пробник может уверенно работать в диапазоне напряжений от 3,5 до 6 вольт, а реально, при снижении границ диапазонов генерации до 300 кГц и 12 МГц — ив диапазоне напряжений 3–6,5 В, что вполне позволяет пользоваться им при автономным питании длительное время.

Конструкция прибора может быть любой, важно лишь обеспечить минимальную длину выводов блокировочных конденсаторов С2—С5. Прибор может быть выполнен в корпусе, спаянном из фольгированного стеклотекстолита размером 120х50х65 мм. В этом же корпусе можно поместить и питание — элемент ЦНК-0,45. Для подключения кварцев можно использовать монтажные стойки, размещенные на расстоянии 10 мм друг от друга. К ним можно подключить кварц в корпусе Б, а также кварцы старых типов — начиная от карболитовых корпусов от РСИУ и кончая американскими военными кварцами из аппаратуры, поставленной по ленд-лизу. Для подключения кварцев иных типов можно использовать зажим «крокодил».

8.7.9. Полезные советы

1. При намотке катушки индуктивности проводом в эмалевой изоляции необходимо учитывать, что загрязненность рук может значительно снизить добротность катушки, поэтому проводить намотку следует через лоскут хлопчатобумажной ткани. Еще лучше производить намотку в тонких хлопчатобумажных перчатках.

2. Чтобы предупредить образование «барашков» на проводе при намотке катушек, нужно перед намоткой надеть на провод полихлорвиниловую трубку диаметром 45 и длиной 100…150 мм. Под тяжестью трубки обмоточный провод натягивается, что не дает ему скручиваться и в то же время не мешает намотке.

3. Для фиксации карбонильных сердечников в катушке можно использовать полоску из полиэтиленовой пленки подходящей толщины, опустив ее в каркас перед ввинчиванием сердечника. Пленка заполнит зазор в резьбе и не позволит сердечнику самопроизвольно перемещаться.

8.8. ЗАДАЧИ

1. В схеме усилителя с коэффициентом усиления К = 110 имеется цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи b = 0,01. Возникнут ли в схеме незатухающие колебания?

2. Определить минимальный коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью b = 0,02, при котором схема усилителя самовозбуждается.

3. Как настраивается контур LC-автогенератора при включении кварцевого резонатора между затвором и истоком транзистора (рис. 8.26, а)?

Рис. 8.26. Генераторы синусоидальных колебаний с кварцевой стабилизацией частоты

4. Как настраивается контур LC-автогенератора при включении кварцевого резонатора между коллектором и базой (рис. 8.26, б)

5. В схеме генератора (рис. 8.27) произошло короткое замыкание: а) резистора R_к; б)резистора R_э1. В каком случае схема сохраняет свою работоспособность?

Рис. 8.27. Схема RC — генератора

6. Принцип действия автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе (рис. 8.28, а) состоит в следующем. При подаче питающих напряжений на операционный усилитель в начальный момент времени инвертирующий вход 1 заземлен (U₁ = 0), а на неинвертирующем входе 2 U₂ = U_maxR₂/(R₁ + R₂), так как в схеме действует положительная обратная связь, переводящая ОУ в режим насыщения, когда напряжение на выходе постоянно и равно максимальному значению U_{вых. max} = U_нac. Конденсатор заряжается с постоянной времени t = RC, и напряжение на нем изменяется, стремясь к значению +U_нac. При U_c = U_R2 выходное напряжение скачком изменяется, достигая своего отрицательного предела — U_нac;. Напряжение U_R2 становится отрицательным и удерживает устройство в состоянии насыщения, когда U_вых = —U_нac. Конденсатор С перезаряжается, а напряжение на нем стремится к значению — U_нa. При U_c = U_R2 снова происходит изменение выходного напряжения до положительного предела. Покажите с помощью временных диаграмм (рис. 8.28, б), что частота мультивибратора увеличивается, если: а) уменьшить глубину положительной обратной связи (увеличить сопротивление резистора R1); б) уменьшить постоянную времени заряда конденсатора.

7. В схеме (рис. 8.28) случайно «закоротили» резистор R2. Потеряет ли схема работоспособность?

Рис. 8.28. Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе