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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Teoria: generatori di oscillazioni sinusoidali. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante Uno dei tipi di generatori di oscillazioni sinusoidali viene utilizzato per impostare la frequenza degli elementi RC. Tali generatori sono piuttosto complessi, richiedono misure speciali per stabilizzare l'ampiezza di oscillazione e non hanno stabilità ad alta frequenza. I generatori con un circuito oscillatorio parallelo come elemento di impostazione della frequenza funzionano in modo più affidabile e migliore: sono spesso chiamati generatori LC. Ricordiamo che un circuito oscillatorio parallelo contiene un condensatore e un induttore. Se un condensatore carico è collegato a una bobina, nel circuito risultante si verificheranno oscillazioni smorzate (Fig. 47). La loro frequenza è determinata dalla formula di Thomson: fo = 1/2π(LC)1/2.
Le oscillazioni continuerebbero all'infinito se non ci fossero perdite di energia nel circuito, ad esempio sulla resistenza attiva del filo della bobina. Inoltre, alcuni. anche se una piccola parte dell'energia deve essere ceduta al carico del generatore! Minore è la perdita di energia, maggiore è il fattore di qualità del circuito, che è pari al numero di oscillazioni fino a quando la loro ampiezza diminuisce di circa 10 volte. Questo fatto è poco noto. Le perdite in un condensatore ad anello sono generalmente piccole rispetto alle perdite nella bobina, quindi il fattore di qualità del circuito è quasi uguale al fattore di qualità della bobina, definito come il rapporto tra la reattanza della bobina e l'attivo. Il fattore di qualità delle bobine a radiofrequenza nelle gamme DV, SV e KB di solito è compreso tra 30 e 300, a seconda delle dimensioni e della qualità della lavorazione. Le bobine di grandi dimensioni avvolte per le gamme DV e SV con uno speciale filo a trefoli (LZSHO - filo litz) o filo spesso argentato per la gamma KB hanno solitamente un elevato fattore di qualità. Ridurre significativamente le dimensioni delle bobine mantenendo un elevato fattore di qualità consente circuiti magnetici (nuclei) realizzati in ferrite ad alta frequenza o altri magnetodielettrici (magnetite, ossifero, ferro carbonilico). Tuttavia, quando si utilizzano tali bobine nei generatori, è necessario prestare attenzione alla dipendenza dalla temperatura delle proprietà del circuito magnetico per non peggiorare la stabilità della frequenza del generatore. Il fattore di qualità del circuito determina anche l'ampiezza della sua curva di risonanza. Caratterizza la dipendenza dell'ampiezza delle oscillazioni nel circuito dalla frequenza quando è eccitata da una sorgente esterna di oscillazioni sinusoidali. La connessione della sorgente con il circuito per ottenere risultati corretti deve essere molto debole; quando la frequenza di oscillazione della sorgente coincide con la frequenza di risonanza del circuito, l'ampiezza di oscillazione in esso è massima e, quando è scordata, diminuisce. L'ampiezza della curva di risonanza nei punti in cui l'ampiezza scende a 0,7 (di 3 dB) è inversamente proporzionale al fattore di qualità: 2Δf=f/Q (Fig. 47). L'idea principale di costruire generatori con un circuito LC è la seguente: la perdita di energia nel circuito durante il processo di oscillazione deve essere reintegrata da un elemento amplificatore eccitato dallo stesso circuito, in pieno accordo con la Fig. 44. In questo caso, devono essere soddisfatte due condizioni: l'equilibrio delle ampiezze e l'equilibrio delle fasi. La prima condizione richiede che l'energia fornita al circuito dall'elemento amplificatore sia esattamente uguale alle perdite di energia nel circuito stesso e nei circuiti di comunicazione con il carico. Con un feedback più debole, le oscillazioni si estinguono e la generazione si interrompe, con uno più forte, l'ampiezza aumenta e l'elemento di amplificazione entra nella modalità di limitazione o viene chiuso dalla tensione generata dal circuito di stabilizzazione dell'ampiezza. In entrambi i casi il guadagno viene ridotto, ripristinando l'equilibrio di ampiezza. La condizione di equilibrio di fase è che le oscillazioni dall'elemento di amplificazione vengono fornite al circuito in fase con le proprie. Pertanto, lo sfasamento totale nel circuito di retroazione deve essere zero. Tuttavia, un piccolo sfasamento introdotto dall'amplificatore può essere compensato dal circuito. Lo sfasamento delle oscillazioni nel circuito (rispetto a quelle eccitanti) è 0 alla frequenza di risonanza e raggiunge ±π/4 quando la frequenza è desintonizzata di ±Δf secondo la caratteristica di fase del circuito. In presenza di uno sfasamento nell'elemento di amplificazione, le oscillazioni saranno eccitate non alla frequenza di risonanza, ma da qualche parte a lato di essa, il che, ovviamente, è indesiderabile. Storicamente, il primo oscillatore LC fu inventato da Meissner nel 1913 (Società tedesca per il telegrafo senza fili) e poi migliorato da Round (azienda britannica Marconi). Utilizzava un feedback induttivo (Fig. 48).
Le oscillazioni dal circuito L2C2 vengono inviate alla griglia della lampada VL1. La sua corrente anodica, che cambia nel tempo con le oscillazioni nel circuito, scorre attraverso la bobina di accoppiamento e l'energia delle oscillazioni amplificate rifluisce nel circuito. Per una corretta fasatura, entrambe le bobine devono essere accese come mostrato in figura (gli inizi degli avvolgimenti avvolti in un senso sono indicati da punti). È possibile regolare il feedback modificando la distanza tra le bobine. Per stabilizzare l'ampiezza dell'oscillazione, viene utilizzato un gridlick: la catena C3R1 (a proposito, non era ancora nel primissimo generatore Meissner). Funziona così: durante i semiperiodi positivi di oscillazione sulla griglia, parte degli elettroni viene attratta da essa e carica il lato destro del condensatore C3 secondo lo schema con una tensione negativa. Sposta il punto di lavoro su una sezione meno ripida della caratteristica (il tubo si chiude un po') e il guadagno si riduce. Il resistore R1 di "dispersione di rete" consente alla carica accumulata di drenare al catodo, altrimenti la lampada si chiuderebbe completamente. Il condensatore C1 serve a chiudere le correnti ad alta frequenza su un filo comune ("terra") - dopotutto, non è affatto necessario che scorrano attraverso la fonte di alimentazione, creando interferenze e interferenze con altri elementi del dispositivo in cui il generatore si usa. Successivamente, la società americana Western Electric sviluppò generatori più semplici e avanzati: l'induttivo "a tre punti" Hartley (1915) e il capacitivo "a tre punti" Colpitz (1918). Abbiamo volutamente citato i nomi degli inventori, poiché i circuiti dei loro generatori sono rimasti praticamente immutati per più di tre quarti di secolo, e i nomi "circuito Meissner" o "circuito Colpitz" si trovano ancora nella letteratura tecnica senza spiegare cosa è. La base dell'elemento, tuttavia, è cambiata in modo significativo e, ad esempio, si consideri un generatore realizzato secondo lo schema induttivo a tre punti (Hartley) su un moderno transistor ad effetto di campo con gate isolato (Fig. 49).
Secondo il principio di funzionamento, un tale transistor è per molti versi simile a un tubo radio a tre elettrodi: un triodo, ma la corrente in esso non scorre nel vuoto, ma nello spessore di un semiconduttore, dove un canale conduttivo è stato tecnologicamente realizzato tra drain (uscita superiore a seconda del circuito) e source (uscita inferiore). La conduttanza del canale è controllata dalla tensione di gate, un elettrodo situato molto vicino al canale, ma isolato da esso. Quando viene applicata una tensione negativa al gate, il suo campo "comprime" il canale, per così dire, e la corrente di drain diminuisce. Se viene applicata una tensione positiva che aumenta, la conduttività del canale aumenta e la corrente di drain aumenta. In ogni caso, non c'è corrente di gate, e questo ha reso necessario integrare la griglia C2R1 - il circuito di stabilizzazione dell'ampiezza - con diodi VD1, che rilevano le oscillazioni che entrano nel gate e creano una polarizzazione negativa all'aumentare della loro ampiezza. Le oscillazioni vengono fornite al gate dal circuito L1C1, che determina la frequenza del generatore. Il vantaggio di un transistor ad effetto di campo è che la sua impedenza di ingresso alle radiofrequenze è molto elevata e praticamente non devia il circuito senza introdurre ulteriori perdite in esso. Il feedback viene creato collegando la sorgente del transistor a una porzione delle spire della bobina L1 (solitamente da 1/3 a 1/10 del numero totale di spire). Il generatore funziona così: con una semionda positiva di oscillazioni, la corrente del transistor aumenta all'uscita superiore del circuito, che "getta" un'altra porzione di energia nel circuito. Infatti, il transistor in questo generatore è acceso da un source follower, e la fase delle oscillazioni alla sorgente coincide con la fase delle oscillazioni al gate, che assicura l'equilibrio di fase. Il coefficiente di trasferimento della tensione del follower è inferiore all'unità, tuttavia, la bobina rispetto alla sorgente è inclusa come autotrasformatore elevatore. Di conseguenza, il guadagno totale del circuito di feedback diventa maggiore dell'unità, fornendo un bilanciamento dell'ampiezza. Come altro esempio, si consideri un generatore realizzato secondo lo schema capacitivo "a tre punti" su un transistor bipolare (Fig. 50). In realtà il generatore è montato sul transistor VT1. La sua modalità DC è impostata dal divisore nel circuito di base R1R2 e dalla resistenza del resistore di emettitore R3 (abbiamo già considerato tali circuiti nella sezione sugli amplificatori). Il circuito oscillatorio del generatore è formato da un induttore L1 e da una catena di tre condensatori C1-C3 collegati in serie. Non solo l'emettitore, ma anche la base del transistor sono collegati alle prese del divisore capacitivo risultante. Ciò è dettato dal desiderio di ridurre lo shunt del circuito da parte del transistor: dopotutto, la resistenza di ingresso di un transistor bipolare è relativamente piccola.
In pratica, le capacità dei condensatori C2 e C3, deviando le transizioni del transistor, stanno cercando di scegliere di più, e la capacità C1 è il minimo necessario per il verificarsi di oscillazioni. Ciò migliora la stabilità della frequenza. Il resto del generatore funziona allo stesso modo. come il precedente. La cascata sul transistor VT2 - la cosiddetta cascata buffer - serve a indebolire l'influenza delle successive cascate sul generatore. Il transistor è acceso da un inseguitore di emettitore e riceve una polarizzazione direttamente dall'emettitore del transistor generatore VT1. Inoltre, la connessione è indebolita dal resistore R4. Tutte le misure adottate consentono di portare l'instabilità di frequenza relativa del generatore descritto a un valore così piccolo come 0,001%, mentre è un ordine di grandezza peggiore per i generatori LC convenzionali. Nei ricevitori di trasmissione e televisione vengono utilizzati generatori capacitivi a tre punti più semplici, un circuito tipico di uno dei quali è mostrato in Fig. 51.
Qui, il circuito L1C3 è incluso nel circuito del collettore del transistor, la base è collegata ad alta frequenza al filo comune attraverso il condensatore C2 e il feedback viene inviato all'emettitore attraverso il partitore capacitivo C4C5. L'accensione di un transistor secondo un circuito a base comune consente di ottenere frequenze di generazione particolarmente elevate vicine a quelle limitanti per questo tipo di transistor. Il segnale del generatore viene prelevato dalla bobina di accoppiamento L2. Autore: V.Polyakov, Mosca
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