Генераторы: ёмкостная трёхточка, индуктивная трёхточка, а также
LC-генераторы на транзисторах, работающих в барьерном режиме.
Принципиальные схемы, онлайн калькуляторы для расчёта элементов генераторов.
Целью нашей сегодняшней тактической подготовки будет сопровождение целей под названием «Высокочастотные автогенераторы на LC-цепях».
Содержание учений включает организованное выдвижение сил с массированными ударами и групповыми манёврами. Общее направление манёвров — расчёт частотозадающих цепей, ёмкостных делителей и режимов работы схем транзисторных LC генераторов и гетеродинов.
Для начала определимся с доктриной: «Генератор (гетеродин) — жизненно важный орган любого передатчика или радиоприёмника. От того, насколько спектрально чисто и стабильно он работает, зависят основные параметры приёмо-передающих трактов».
Обсуждаемые на этой странице генераторы, использующие комбинацию индуктивности L и ёмкости C, называемые LC-генераторами, весьма полезны при необходимости поиметь в радиолюбительском хозяйстве перестраиваемый по частоте аналоговый генератор, т.е. генератор без применения цифровых и микропроцессорных излишеств.
Схема, приведённая на Рис.4, является модификацией предыдущей схемы.
Дополнительная цепь стабилизации С2 D1, детектирует поступающие на затвор колебания и создаёт отрицательное смещение при возрастании их амплитуды. Это смещение, в свою очередь, сдвигает рабочую точку транзистора на участок характеристики с меньшей крутизной, и усиление уменьшается.
Значение номинала конденсатора С* следует подбирать при настройке, исходя из минимальной величины, при которой сохраняется устойчивая работа генератора во всём интересующем нас диапазоне.
Сигнал с максимальной амплитудой и минимальным количеством гармоник следует снимать с верхнего по схеме вывода катушки индуктивности (с нижнего для Рис.2) посредством каскада с высоким входным сопротивлением (предпочтительно на полевом транзисторе).
Перейдём к расчётам элементов генераторов и начнём с определения значений ёмкостей конденсаторов, определяющих глубину положительной обратной связи в схемах ёмкостных трёхточек.
Оказалось, что посчитать эти значения теоретически не так уж и просто. Похоже, информация эта схоронилась в секретных лабораториях ЦРУ и Пентагона, а потому поначалу было решено действовать по старинке — воспользоваться заведомо рабочей схемой и масштабировать значения ёмкостей пропорционально изменению диапазона частот генерации.
— Я знаю! — похлопал меня по плечу седовласый старик, протягивая мне жёлтую книжицу «Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М, Мир, 1990.»
— Спасибо, дядя Эрик, — стыдливо промямлил я, вспоминая, сколько же раз перелистовал её в поисках нужной информации, а вот так, чтобы внимательно, от корки до корки, как-то не задалось.
Всё оказалось довольно просто: f≈[0,1-200] МГц ; XC3≈XC4≈50 Ом ; XC2≈100 Ом , (см. Рис.1), где XC — реактивные сопротивления конденсаторов на частоте генерации. Вот теперь можно смело переходить к расчётам.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА КОНДЕНСАТОРОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ЁМКОСТНЫХ ТРЁХТОЧЕК.
Если предполагается, что генератор должен выполнять функцию перестраиваемого по частоте гетеродина, то в качестве частоты генерации F следует выбирать среднюю частоту диапазона перестройки.
Не стоит рассчитывать, что данные типы генераторов обеспечат значительную величину этого диапазона. Как правило, фазовый баланс при выбранных значениях ёмкостного делителя обеспечивает устойчивую работу устройства в пределах октавного изменения (в 2 раза) рабочих частот.
Теперь осталось только рассчитать значения контурных конденсаторов С1. Причём, если для схем, приведённых на Рис.(3-5) всё просто — F= 1/2π√ LС , то для ёмкостных трёхточек (Рис.1-2) в качестве частотозадающей ёмкости С выступает параллельно-последовательное соединение нескольких конденсаторов С1-С4 (Рис.1), либо С1-С3 (Рис.2).
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛА КОНТУРНОГО КОНДЕНСАТОРА С1.
Если в схеме отсутствует тот или иной элемент — оставляйте соответствующие поля незаполненными.
Приведённые расчёты являются приблизительными, так как не учитывают влияний паразитных ёмкостей: катушек, монтажа и переходов полупроводников.
Автогенераторы L-C (схема,работа).
Известно много разновидностей схем транзисторных автогенераторов типа LC, но любая из них должна содержать:
колебательную систему (обычно колебательный контур), в которой возбуждаются
требуемые незатухающие колебания;
источник электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания;
транзистор, с помощью которого регулируется подача энергии от источника в контур;
элемент обратной связи, посредством которого осуществляется подача необходимого возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную.
Простейшая схема транзисторного генератора типа LC показана на рис. 16.1. Такая схема называется генератором с трансформаторной связью и используется обычно в диапазоне высоких частот.
Рис. 16.1. Транзисторный автогенератор с трансформаторной связью.
Элементы RБ΄, RБ΄΄,RЭ и СЭ предназначены (так же, как и в усилителях) для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. С помощью конденсатора СБ, емкостное сопротивление которого на высокой частоте незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.
В момент включения источника питания в коллекторной цепи транзистора появляется ток I К заряжающий конденсатор СБ колебательного контура. Так как к конденсатору подключена катушка L K, то после заряда конденсатор начинает разряжаться на катушку. В результате обмена энергией между конденсатором и катушкой в контуре возникают свободные затухающие колебания, частота которых определяется параметрами контура и равна
(16.1)
Переменный (колебательный) ток контура, проходя через катушку LK, создает вокруг нее переменное магнитное поле. Вследствие этого е катушке обратной связи ЬБ, включенной в цепь базы транзистора, наводится переменное напряжение той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора, в котором появляется переменная составляющая.
Переменная составляющая коллекторного тока восполняет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное транзистором переменное напряжение. В свою очередь это приводит к новому нарастанию напряжения на катушке связи LБ, которое повлечет за собой повое нарастание амплитуды составляющей тока коллектора и т. д.
Разумеется, нарастание коллекторного тока не происходит беспредельно—оно наблюдается лишь в пределах активного участка выходной характеристики транзистора (на участке насыщения, как известно, ток коллектора практически не меняется). Что же касается амплитуды колебаний в контуре, то ее рост ограничивается сопротивлением потерь контура, а также затуханием, вносимым в контур за счет протекания тока в базовой обмотке.
Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий, которые получили название условий самовозбуждения.
Первое из этих условий называют условием баланса фаз. Сущность его сводится к тому, что в схеме должна быть установлена именно положительная обратная связь между выходной и входной цепями транзистора. Только в этом случае создаются необходимые предпосылки для восполнения потерь энергии в контуре.
Поскольку резонансное сопротивление параллельного контура носит чисто активный характер, то при воздействии на базу сигнала с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе будет сдвинуто по фазе на 180° (как для обычного резистивного каскада усиления). Напряжение, наводимое на базовой катушке за счет тока I К, протекающего через контурную катушку LK, равно
(16.2)
где М — коэффициент взаимоиндукции между катушками.
Очевидно, необходимо так выбрать направление намотки катушки, чтобы U Б=-jω0 МI К. Только в этом случае общий фазовый сдвиг в цепи усилитель — обратная связь будет равен нулю: jк+jb = 0, т. е. в схеме будет установлена положительная обратная связь.
Если же U Б=+jω0 МI К, то обратная связь окажется отрицательной и колебания в контуре прекратятся.
Выполнение условия баланса фаз является необходимым, но недостаточным для самовозбуждения схемы. Второе условие самовозбуждения состоит в том, что для существования автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем. Иными словами, глубина положительной обратной связи должна быть такой, чтобы потери энергии в контуре восполнялись полностью.
При наличии положительной обратной связи в соответствии с формулой (13.15) коэффициент усиления составляет
где b — коэффициент передачи цепи обратной связи.
Для рассматриваемой схемы коэффициент b показывающий, какая часть переменного напряжения контура подается на базу транзистора в установившемся режиме работы, равен
(16.3)
где I К т — амплитуда тока в контуре автогенератора.
Учитывая, что усилитель с положительной обратной связью переходит в режим генерации при условии bК >> 1, найдем значение коэффициента обратной связи, необходимое для самовозбуждения:
(16.4)
Коэффициент усиления схемы на резонансной частоте приближенно можно считать равным
(16.5)
(16.6)
Условие самовозбуждения, выраженное формулой (16.6), получило название условия баланса амплитуд.
Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима транзисторного автогенератора (при выполнении условий баланса фаз и амплитуд) можно объяснить с помощью так называемой колебательной характеристики автогенератора, представляющей собой зависимость U вых=f(U вх). На рис. 16.2 изображены амплитудная характеристика собственно усилительного звена 
и прямая линия, выражающая зависимость коэффициента передачи цепи обратной связи от величины входного напряжения 
и характеризующая ослабляющее действие цепи обратной связи.
Предположим, что на вход транзистора поступает напряжение U вх1. После усиления в К раз на выходе усилителя появится напряжение U вых1. Это напряжение, ослабленное в b раз, вызовет появление на входе напряжение U вх2, которое создаст на выходе новое напряжение, и т. д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока величина выходного сигнала не достигнет своего установившегося значения (точка А), при котором выполняется условие Кb=1.
Из-за нелинейности характеристик транзистора амплитудная характеристика усилителя также оказывается нелинейной, т. е. с ростом уровня выходного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Именно поэтому амплитуда колебаний в контуре не может увеличиваться беспредельно и ограничивается на определенном уровне, соответствующем установившемуся режиму. Из рис. 16.2 видно, что после включения источника питания автоколебания возникают и развиваются при воздействии на вход транзистора любого, сколь угодно малого, напряжения, которое всегда имеется вследствие флуктуационных изменений режима работы схемы.
Изучаем ёмкостную трёхточку и собираем FM передатчик
Сегодняшний опыт позволит нам увидеть на экране осциллографа, какие параметры цепи влияют на работу LC-генератора Колпитца, и откуда берутся искажения формы волны.
После чего соберём маленький транзисторный УКВ ЧМ передатчик на базе такого генератора. Не пугайтесь, он совсем маломощный (как MP3-модуляторы в гнезде автомобильного прикуривателя) и не нарушает законов о радиосвязи.
А чтобы услышать, что передатчик вещает, соберем ещё и FM радиоприёмник.
История LC-генераторов
Ёмкостная трёхточка, или генератор Колпитца, является очень распространённой топологией генераторов синусоидальных (гармонических) колебаний, то есть чистой волны определенной частоты без примеси гармоник. Для радиосвязи это очень важно, потому что гармоники не только искажают передаваемый сигнал, но и создают помехи каналам связи, работающим на других частотах.
Коль скоро заговорили об LC-генераторах, не помешает коснуться их истории. Буквой L обозначается индуктивность и, соответственно, катушка. Буквой С — ёмкость и ее материальный носитель — конденсатор.
LC-генераторы Колпитца и Хартли. С Википедии
LC-генератором называется электронная схема на основе колебательного контура из катушки индуктивности и конденсатора, обеспечивающая незатухающие электрические колебания в этом контуре. То есть имеющая положительную обратную связь (ПОС), которая подкачивает энергию в контур.
Генератор Герца
Но мы чуть не забыли про архаичный тип LC-генератора затухающих колебаний с ударным возбуждением. Оно действует подобно тому, как молоточек фортепиано сообщает энергию струне. Именно так работает первый в мире генератор электромагнитных волн с искровым возбуждением, который построил Генрих Герц на основе катушки Румкорфа в 1887 году.
Конструкция индукционной катушки Румкорфа. Harry Winfield Secor (1920) The How and Why of Radio Apparatus
Катушка Румкорфа — это высоковольтный вибропреобразователь. То есть устройство наподобие электрического звонка постоянного тока, которому добавили вторичную обмотку, многовитковую, многослойную. А у тех катушек Румкорфа, что питали старинные рентгеновские установки, она была ещё и секционированная. Чтобы не пробило изоляцию.
Иллюстрация работы электрического звонка. С Википедии
Звонок постоянного тока работает по такому принципу: ток в катушке создаёт магнитное поле, которое притягивает ферромагнитный язычок, который отклоняет подвижный контакт и разрывает цепь. Язычок перестаёт притягиваться, пружина возвращает его назад, и подвижный контакт снова касается неподвижного. Цепь замкнута, и всё повторяется, пока подключен источник питания.
Большинству из нас в XXI веке не приходится встречаться с катушками Румкорфа и электрическими звонками. Но вибрационные прерыватели нас всё же окружают. Это звуковые сигналы автомобилей и маленькие противные зуммеры в источниках бесперебойного питания. Как это ни странно, в них до сих пор нет микроконтроллеров и даже транзисторов. Со своими функциями прекрасно справляется простое электромеханическое устройство.
Схема передатчика Герца. С Википедии
Так вот, Генрих Герц при помощи искр от катушки Румкорфа возбуждал колебания в контуре. Который представлял собой… нет, не огромную индуктивность вторичной обмотки и её немалую межвитковую ёмкость, а индуктивность и ёмкость диполя — передающей антенны.
Школьный трансформатор Теслы, СССР. Фото с Авито (лот давно продан)
Это и был генератор Герца. Точно таким же образом работает и резонансный трансформатор Теслы с искровым возбуждением.
Шильдик школьного генератора Зворыкина, СССР. Фото с сайта «Музей странного»
Одно время катушками Румкорфа, искровыми трансформаторами Теслы и двухтактными ламповыми генераторами Зворыкина комплектовались кабинеты физики советских школ. Но эти приборы способны создавать значительные радиопомехи, потому от них отказались.
Генераторы Мейснера и Армстронга
В начале прошлого века немецкий физик и инженер Александр Мейснер, работавший в фирме «Телефункен», открыл принцип положительной обратной связи, на основе которого изобрел и получил в 1913 году патент на LC-генератор незатухающих колебаний с трансформаторной обратной связью.
Анимация работы генератора Мейснера с physik3d.de
По сути, генератор представлял собой усилительный каскад на вакуумном триоде с общим катодом, колебательным контуром и обмоткой обратной связи.
Генератор американца Эдвина Армстронга, запатентованный в 1914 году — почти то же самое. Но у Мейснера колебательный контур включен в анодную цепь, то есть на выход усилителя. А у Армстронга в цепь сетки, то есть на вход.
Получается, что в генераторе Мейснера катушка связи принимает от колебательного контура входной сигнал для усилителя. А в генераторе Армстронга эта катушка передаёт контуру мощность с выхода усилителя.
То есть генератор Армстронга позволяет делать мощной только катушку, а контур ею управляет. А при использовании схемы Мейснера необходима и мощная контурная катушка, и мощный конденсатор. Либо можно воспользоваться усилителем мощности, подключив его к выходу генератора.
Генератор Хартли
В 1915 году американский инженер Ральф Хартли, работавший тогда в Western Electric Company, (это производственное подразделение компании AT&T с 1881 по 1995 годы), применил для обратной связи автотрансформатор вместо трансформатора, и получилась индуктивная трёхточка — генератор Хартли.
Иллюстрация из патента Хартли US1356763
Кроме генератора, в честь Ральфа Хартли названа логарифмическая единица измерения информации либо энтропии, а также преобразование Хартли — разность между мнимой и действительной частью преобразования Фурье.
Генератор Колпитца
И наконец, в 1919 году Эдвин Колпитц, глава отдела исследований все той же Western Electric Company, вместо индуктивной трёхточки изобрёл ёмкостную.
Обратная связь в этом генераторе осуществляется делителем переменного напряжения на двух конденсаторах, соединённых последовательно и образующих вместе с катушкой индуктивности колебательный контур. Такую ёмкостную трёхточку мы сегодня и будем исследовать.
Про естественнонаучный эксперимент в школе
Среди великого множества товаров на Алиэкспресс имеются и учебные пособия для школьников и студентов, такие, как этот радиоконструктор, на базе которого я и проведу сегодняшний опыт.
Внешний вид экспериментальной платы
Технической документации и учебно-методического комплекта к таким наборам не прилагается, или почти не прилагается, но знания электроники позволяют понять, что к чему и зачем, и догадаться о замыслах разработчиков, который они вложили в печатную плату и кучку радиокомпонентов.
Состав DIY-комплекта. Фото с Aliexpress
Можно было не покупать набор, а смакетировать ёмкостную трёхточку на паечной или беспаечной макетной плате, или даже нарисовать в KiCAD и изготовить плату методом ЛУТ. (Как ни странно, это иногда быстрее, чем макетировать). Но разве не интересно, чему и как китайцы, лидеры планеты в разработке и производстве техники, учат своё подрастающее поколение?
Современная тенденция в преподавании естественнонаучных дисциплин, особенно для непрофильных классов, такова, что преподаватели и методисты предпочитают заменять демонстрационный и лабораторный эксперимент просмотром видеофильмов и работой с цифровыми моделями реальных объектов и процессов на интерактивной доске, планшетном ПК и так далее.
Оно, конечно, удобнее, проще, легче, чище и безопаснее. Не нужно утруждаться подготовкой оборудования и уборкой после опытов, никто ничего не разобьёт, не поранится, не обожжётся и так далее. Пока идет учебный видеофильм, или учащиеся работают с интерактивными моделями, преподаватель может проверять тетради, заполнять журнал или просто отдыхать.
Мне это никогда не нравилось, даже не из методологических соображений, а просто потому, что я люблю объективный предметный мир, трогать его руками и инструментами, взаимодействовать с ним. Это интересно, захватывающе, это вдохновляет, в том числе и на дела, не связанные с темой опытов и исследований.
Не поймите неправильно. Учебные фильмы и цифровые модели мне очень нравятся. Вот, например, модель ёмкостной трёхточки на сайте falstad.com. Там можно редактировать параметры компонентов, изменять схемы и добавлять свои.
Интерактивная модель ёмкостной трёхточки. Захват экрана с falstad.com
Такие модели прекрасно дополняют и обогащают реальный опыт. Но полноценно заменить его никогда не смогут. Вот и китайцы не только не отказались от «дедовских» учебных пособий, но изготовляют и разрабатывают их в огромном количестве и разнообразии. Может быть, потому и лидируют в мировом производстве. А может быть, это просто совпадение.
Опыт с генератором Колпитца
Итак, экспериментальная плата позволяет нам с помощью джамперов K1 и K2 изменять ток смещения базы транзистора Q1. K3 и K4 переключают катушки, а K5 и K6 — конденсаторы.
Принципиальная схема экспериментальной платы с Aliexpress
При сопротивлении смещения базы 10 кОм, ёмкости 0.01 мкФ и индуктивности 100 мкГн генерируемая частота составила 294 кГц, а амплитуда напряжения в точке TP2 — на выходе генератора — 2.6 В. Синусоида получается не идеальная: её нижняя часть слегка «смятая».
Оставляем всё как было, но переключим резистор, повысив сопротивление смещения базы в 22 раза. Что очень интересно, изменилось не только выходное напряжение, которое возросло до 2.84 В, но и частота. Она снизилась с 293 до 282 кГц.
Это свойство ёмкостной трёхточки на транзисторе позволит нам построить предельно простой радиопередатчик с частотной модуляцией.
Теперь переключим конденсатор на втрое более ёмкий. Частота снизилась не втрое, а всего-навсего с 282 до 225 кГц. Так и должно быть, ведь C4 и С2 или C3 соединены последовательно, а период колебаний пропорционален квадратному корню произведения ёмкости на индуктивность. Зато амплитуда колебаний упала вдвое — до 1.44 В.
Переключаем катушку, увеличивая индуктивность в 4.7 раз. Частота снизилась в 4.4 раза, — до 51 кГц. Амплитуда возросла в 2.25 раз, до 3.24 В. Но форма сигнала испортилась: нижняя часть синусоиды инвертирована. Чётко видим вторую гармонику с частотой вдвое выше основной. Резких заломов осциллограммы не наблюдается: снизу всё выглядит как нормальная синусоида, а не как форма волны после двухполупериодного выпрямителя.
После снижения ёмкости втрое — с 0.03 на 0.01 мкФ — частота возросла чуть более, чем вдвое: с 51 до 124 кГц. И снова видим идеальную синусоиду, амплитуда которой возросла ровно в полтора раза, до 4.88 В.
Снова снижаем сопротивление смещения базы в 22 раза. Частота возросла на 9%, а амплитуда снова упала в полтора раза: 135 кГц, 3.16 В.
Повышаем ёмкость конденсатора втрое. Частота упала всего-навсего на 19%. Амплитуда снова снизилась в полтора раза: 111 кГц, 2.12 В.
И наконец, испытаем последнюю, восьмую комбинацию трёх SPDT переключателей, функцию которой выполняют джамперы на плате. Снижаем индуктивность в 4.7 раз. Частота возросла в 2.2 раза, амплитуда упала на 30%.
При сопротивлении смещения 10 кОм несимметричное ограничение сигнала, видимое как смятая снизу синусоида, сохраняется во всех комбинациях ёмкости и индуктивности, кроме последнего, где синусоида слабая, но красивая.
Как мы увидели, режим транзистора и соотношение реактивностей, в том числе эквивалентной ёмкости транзистора, в значительной мере влияют на гармонический состав и амплитуду выходного сигнала ёмкостной трёхточки. Переставим джамперы на 220 кОм, 0.01 мкФ и 470 мкГн, чтобы получить красивую и сильную синусоиду.
Кроме генератора Колпитца, на нашей плате есть усилительный каскад на транзисторе Q2, а после него инвертирующий усилитель и компаратор со слабой отрицательной обратной связью на операционных усилителях. Посмотрим, как они будут искажать нашу эталонную синусоиду.
Почему транзисторная аудиоаппаратура плохо звучит?
В точке TP3 — на коллекторе Q2 — видим результат двухполупериодного выпрямления, плюс небольшой, но заметный горбик третьей гармоники. Именно так искажают сигналы кремниевые транзисторы, и эти нечётные гармоники считаются неприятными для слуха, в отличие от чётных ламповых.
В теории музыки третья гармоника соответствует интервалу дуодецимы, — чистой квинты через октаву. В случае гармонически простой композиции, основу которой составляют квинты и трезвучия, присутствие дуодецимы в усиленном сигнале не составит проблем.
В более сложной музыке используются ундецимаккорды и терцдецимаккорды, верхний тон которых составит с этой дуодецимой большую или малую секунду. А это диссонанс, неблагозвучный интервал.
И что ещё страшнее, подавляющее большинство музыкальных произведений младше творений Баха используют равномерно темперированный хроматический звукоряд. А наша транзисторная дуодецима натуральная, пифагорова, и в случае её одновременного звучания с хроматической нотой возникнет очень неприятное завывание «волчьей квинты».
Буферный усилитель на транзисторе Q2 у этой учебной платы на самом деле является эмиттерным повторителем, каскадом с общим коллектором (ОК). И на его выходе всё совершенно нормально, наблюдаем прекрасную чистую синусоиду.
Авторы набора специально добавили коллекторный резистор R5, который эмиттерному повторителю не нужен, чтобы наглядно показать гипертрофированно искажающий режим транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ).
Чтобы превратить каскад на Q2 в нормальную схему с общим эмиттером, следовало бы заземлить эмиттер по переменному току, зашунтировав эмиттерный резистор R6 конденсатором. Тогда выходной сигнал повторителя пропадёт, зато на коллекторе появится усиленная копия входного сигнала без таких страшных искажений. Правильно рассчитав ёмкость конденсатора, можно осуществить желаемую тонкоррекцию. Так что эксперименты с этой маленькой платой можно продолжать и продолжать.
Инвертирующий усилитель на IC1A, казалось бы, обязанный иметь минимум искажений, на деле, в зависимости от сопротивления подстроечного резистора RP1 в цепи отрицательной обратной связи (ООС), превращает красивую синусоиду с выхода в разнообразную помесь пилы и экспоненты, характерной для релаксационных генераторов.
И наконец, компаратор со слабой отрицательной обратной связью на операционном усилителе IC1B, подстройкой RP2 можно превратить в инвертирующий усилитель, но на его выходе будет не синусоида и не куски экспонент и парабол, а практически идеальная пила.
В итоге после нескольких минут увлекательной игры с маленькой печатной платой возникает множество захватывающих вопросов и идей. Кто-то на свете умеет создавать прекрасные учебные пособия. А их коллеги сумели создать прекрасный недорогой карманный осциллограф, благодаря которому мы увидели тайны ёмкостной трёхточки.
Микромощный УКВ ЧМ радиопередатчик
Чтобы воспринимать сегодняшнее исследование не как оторванный от действительности курьёзный технический фокус, воспользуемся генератором Колпитца для постройки реального радиопередатчика, способного вести монофоническое УКВ ЧМ вещание на расстояние нескольких метров. Это будет ещё один конструктор с Али.
На транзисторе Q1 собран микрофонный предусилитель. Его можно не собирать, если не предполагаете использовать передатчик в качестве уоки-токи или ещё чего-нибудь.
Схема FM радиопередатчика
На транзисторе Q2 собран генератор Клаппа. Это усовершенствованный вариант генератора Колпитца, отличающийся прежде всего конденсатором С8 последовательно с катушкой L4. Сигнал с коллектора Q2 поступает на вход усилителя мощности радиочастоты, выполненного на транзисторе Q3.
Это каскад с общим эмиттером, коллекторной нагрузкой которого является катушка L2. C7, C9, C10 и L3 образуют выходной фильтр, осуществляющий согласование с передающей антенной.
Частотная модуляция осуществляется инъекцией тока звуковой частоты на базу транзистора Q2.
И наконец, два одинаковых резистора R7 и R10 превращают стерео в моно. Ведь предполагается, что ко входу радиопередатчика будет подключаться мобильный телефон или MP3-плеер в качестве источника аудиосигнала. А его современные устройства выдают на наушники в стереофоническом виде.
Маленький красивый радиоприёмник своими руками
Такой радиоконструктор с цифровой индикацией частоты можно собрать уютным семейным вечером, а потом он будет приносить радость на даче и вылазках на природу. Кстати, звучит приёмник довольно-таки неплохо, несмотря на крошечный громкоговоритель.
С точки зрения изучения схемотехники, образовательная ценность именно этого набора не очень велика: радиоприёмник собран на цифровом SDR модуле, исходные коды прошивки микроконтроллера не предоставлены.
Схема радиоприёмника HU-017A с Aliexpress
Что тут можно изучать? Светодиодную индикацию на регистре сдвига в отрыве от микропрограммы? Простейший усилитель мощности звуковой частоты на одной микросхеме с минимальной обвязкой? Линейный стабилизатор напряжения на микросхеме и светодиод с резистором?
Но кроме изучения схемотехники и программирования, есть еще эстетическое удовлетворение от красивой платы и красивого корпуса, радость, уверенность и гордость, когда собранное своими руками устройство заработало, и выполняет реальные практические функции. Образование и самообразование — это не только знания, но и умения, навыки, вдохновение.
Радиоконструктор меня очень порадовал, и продолжает радовать получившийся приёмник. Прекрасное медитативное занятие с позитивным результатом. Но надо отметить, что тут есть микросхема в корпусе SOIC16, которую успешно припаяет не каждый новичок.
А также отметить и то, что когда-то надо начинать. Невозможно научиться чему-то новому, например, поверхностному монтажу, если никогда за него не браться. Сборка такого радиоприёмника — прекрасный вариант для начала.
Как работает lc генератор по схеме
Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС.
Внешний входной сигнал отсутствует. На входе усилителя действует только выходной сигнал ОС UOC. А на входе ОС действует UВХОС=UВЫХ. Поэтому коэффициент усиления такой схемы.
3.1.1 Генератор LC-типа
Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1 (имеющей индуктивность L) и W2 (рисунок 3.1.1.1).
Рисунок 3.1.1 Генератор LC-типа
Напряжение U2 является напряжением ОС. Оно связано с напряжением первичной обмотки W1 коэффициентом трансформации
Коэффициент трансформации в данном случае является коэффициентом передачи ОС, показывая какая часть напряжения передается на вход. Для выполнения баланса амплитуды на частоте ω0 должно выполнятся равенство
Из этого условия рассчитывается необходимое число витков вторичной обмотки, чем обеспечивается условие баланса амплитуд. Для обеспечения баланса фаз необходимо обеспечить соответствующее включение начал и концов обмоток, чтобы ОС была положительной. Емкость С1 выбирают такой, чтобы ее сопротивление на частоте генерации было незначительным по сравнению с R2. Это исключает влияние сопротивления делителя на ток во входной цепи транзистора, создаваемый напряжением ОС. Назначение RЭ и СЭ такое же, как в обычном усилительном каскаде. LC-генераторы, также как и LC-избирательные усилители применяют в области высоких частот, когда требуются небольшие величины L и имеется возможность обеспечить высокую добротность LC-контура. А на низких и инфранизких частотах, когда построение LC-генератора затруднительно, используют RС цепи тех же типов, что и для избирательных усилителей.
3.1.2 RC- генераторы
RC генераторы используют для задания частоты резисивно – емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления (рисунок 3.1.2.1).
Рисунок 3.1.2.1 Частота генератора рассчитывается по формуле
В этом генераторе для возникновения колебаний усилитель должен иметь бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление –равное 0.
Тогда, если конденсаторы и резисторы имеют равные реактивные и активные параметры, условием существования колебаний будет равенство коэффициента усиления числу 29. Такое усиление необходимо для компенсации затухания в фазосдвигающей цепочке. Фазовый угол этой цепочки на частоте колебаний равен 180°, а усилитель должен инвертировать сигнал, с тем, чтобы общий сдвиг фазы по всему контуру был равен 0 (условие генерации).