LC-генераторы с индуктивной связью
Отличительной особенностью LC-генераторов с индуктивной связью, отраженной в их названии, является цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает индуктивную связь между входом и выходом активного элемента. Схемотехнические решения таких генераторов высокочастотных колебаний, хотя и редко, но применяются в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках и радиомикрофонов.
Первый LC-генератор с индуктивной обратной связью создал немецкий изобретатель Александр Мейсснер (Alexander Meissner) в 1913 году. В его ламповой конструкции для обеспечения положительной обратной связи использовались две катушки с встречным включением обмоток (так называемое трансформаторное включение). Поэтому в специализированной литературе для обозначения такого схемотехнического решения часто используются названия «схема Мейсснера» или «схема с трансформаторной индуктивной связью». В генераторе по схеме Мейсснера резонансный контур подключен к цепи управляющей сетки лампы, включенной по схеме с общим катодом. Конечно же, за прошедшие годы данное схемотехническое решение неоднократно усовершенствовалось, в том числе и вследствие появления и применения новой элементной базы. Тем не менее, схемы транзисторных LC-генераторов с индуктивной обратной связью, по-прежнему называются схемами Мейсснера.
В высокочастотных генераторах миниатюрных радиопередатчиков широкое распространение получило схемотехническое решение, в котором резонансный контур включен в цепь коллектора транзистора активного элемента. Принципиальная схема простого LC-генератора с индуктивной положительной обратной связью, выполненного на биполярном транзисторе по схеме Мейсснера, приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Принципиальная схема простого LC–Cгенератора с индуктивной обратной связью (вариант 1)
В данной схеме при включении питания в коллекторной цепи транзистора VT1 начинает протекать ток, инициирующий возникновение свободных колебаний в параллельном резонансном контуре, образованном конденсатором С1 и катушкой L1. Частота этих колебаний определяется параметрами элементов контура. С катушкой L1 индуктивно связана катушка L2, входящая в состав цепи положительной обратной связи. За счет контурного тока вокруг катушки L1 формируется переменное магнитное поле, под действием которого в катушке связи L2 возникает ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку база-эмиттер транзистора VT1. Напряжение смещения на базу транзистора подается через резистор R1.
Катушка связи L2 включена таким образом, что фаза сигнала, подаваемого на базу транзистора VT1, отличается на 180є от фазы сигнала, формируемого на его коллекторе. В результате сигнал, поступающий базу транзистора через цепь обратной связи, оказывается в фазе с исходным сигналом, то есть выполняется условие баланса фаз, необходимое для возникновения устойчивой генерации.
ЭДС взаимоиндукции, приложенная к участку база-эмиттер транзистора VT1, инициирует соответствующие изменения коллекторного тока транзистора. В результате в составе коллекторного тока транзистора VT1 формируется переменная составляющая с частотой колебаний в контуре. Именно эта переменная составляющая коллекторного тока обеспечивает восполнение потерь энергии в контуре.
Колебания, возникающие при включении питания в параллельном резонансном контуре, образованном конденсатором С1 и катушкой L1, являются затухающими вследствие потерь энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний следует подать в контур колебания, совпадающие по фазе с первоначально возникшими свободными колебаниями, которые к тому же должны иметь достаточную мощность для компенсации потерь энергии в контуре, то есть необходимо выполнить условие баланса амплитуд. Такие колебания формируются активным элементом генератора (транзистор VT1) за счет усиления колебаний, подаваемых на базу транзистора через цепь положительной обратной связи, в состав которой входят катушка L2 и разделительный конденсатор С2. Для того чтобы усиленные колебания имели требуемый фазовый сдвиг и поддерживали колебания в резонансном контуре, а не заглушали их, необходимо правильно включить катушку L2. В рассматриваемой схеме переменные напряжения на базе и на коллекторе транзистора VT1 должны быть в противофазе. При соблюдении указанных условий амплитуда колебаний в резонансном контуре будет постоянной, то есть в контуре будут существовать незатухающие колебания.
В специализированной литературе и в сети Интернет можно найти большое количество конструкций, в состав которых входят транзисторные LC-генераторы с индуктивной обратной связью. Упрощенная принципиальная схема еще одного из вариантов схемотехнического решения LC-генератора с индуктивной ОС, выполненного на биполярном транзисторе, приведена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Упрощенная принципиальная схема LC-генератора с индуктивной обратной связью (вариант 2)
Как и в рассмотренном ранее схемотехническом решении, в данной конструкции селективный элемент представляет собой параллельный колебательный контур, подключенный в коллекторную цепь транзистора VT1, по постоянному и переменному току включенного по схеме с общим эмиттером. Следует отметить, что для снижения влияния транзистора на резонансный контур, подключение часто осуществляется с помощью дополнительного вывода, то есть с меньшим реактивным сопротивлением. Однако на параметры генератора это не оказывает особого влияния, за исключением глубины обратной связи.
В непосредственной индуктивной связи с катушкой L1 контура находится катушка L2, которая подключена, соответственно, в цепь базы транзистора VT1. Положение рабочей точки транзистора определяется величиной сопротивления резистора R1, через который положительное напряжение от источника питания подается на базу транзистора.
Как уже отмечалось, одним из условий возникновения и устойчивой генерации колебаний является баланс амплитуд. В рассматриваемом схемотехническом решении принцип работы активного элемента в режиме автоматической поддержки баланса амплитуд заключается в следующем. При недостаточном уровне глубины обратной связи через транзистор VT1 протекает ток покоя, то есть транзистор работает в режиме, характерном для обычных усилителей напряжения. При увеличении глубины обратной связи каскад возбуждается, переходя в режим генерации колебаний. Как только каскад начнет работать в режиме генерирования колебаний, в катушке L2 инициируется переменное напряжение, которое выпрямляется переходом база-эмиттер транзистора VT1, как диодом. С учетом поляризации этого перехода на базе транзистора и на конденсаторе С2 формируется отрицательное постоянное напряжение. Оно имеет противоположную полярность по отношению к напряжению, подаваемому на базу транзистора VТ1 через резистор R1. В результате положение рабочей точки изменяется, что приводит в определенной степени к запиранию транзистора. Таким образом, автоматически обеспечивается режим работы, при котором коллекторный ток транзистора не превышает допустимую величину. Необходимый уровень глубины обратной связи определяется количеством витков катушки L2 и, естественно, расстоянием между катушками L1 и L2.
Для того, чтобы в рассматриваемом каскаде колебания возникли и устойчиво генерировались, между базой и коллектором транзистора Т1 должен быть соответствующий сдвиг фазы, достигающий 180°. Для выполнения этого условия катушка L2 должна быть включена соответствующим образом, то есть так, как определяют на схеме точки, указывающие начало витков. Если данное условие не будет соблюдено, то напряжение обратной связи на базе транзистора не будет иметь необходимый фазовый сдвиг (0° или 360°).
Еще один вариант схемотехнического решения LC-генератора с индуктивной обратной связью предложил американский изобретатель Ральф Хартли (Ralph Hartley) в 1915 году. В его схеме для обеспечения положительной обратной связи использовалась одна катушка, с отвода которой снималось напряжение цепи ПОС (так называемое автотрансформаторное включение). Поэтому в специализированной литературе для обозначения такого схемотехнического решения часто используются названия «схема Хартли» или «схема с автотрансформаторной индуктивной связью».
Следует признать, что схемотехнические решения высокочастотных генераторов с индуктивной связью (генератор Хартли или генератор Мейсснера), несмотря на свои достоинства (например, сравнительно большая выходная мощность) довольно редко используются при разработке миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств.
