Генератор на транзисторе. Автоколебания. L св. L Э Б Сдала Карташова Яна Ученица 11 а класса МБОУ СОШ №64

Автоколебательной называется колебательная система, совершающая незатухающие колебания за счёт действия источника энергии, не обладающего колебательными свойствами. Например: часы, двигатель внутреннего сгорания, духовые инструменты.

Обратная связь в генераторе автоколебаний должна удовлетворять двум условиям: 1. энергия от источника должна поступать в такт с колебаниями в контуре. 2. поступающая от источника энергия должна быть равна её потерям в контуре. L св. L Э Б К

Колебательная система состоит из: Источник энергии Батарея гальванических элементов К лапан Транзистор Колебательная система Колебательный контур Обратная связь Индуктивная – через катушки

Колебания в контуре происходит с большой частотой. Конденсатор восполняет потери энергии лишь в те моменты, когда его полярность совпадает с полярностью источника. В те моменты, когда полярности противоположны, он будет разряжаться через источник. L C _ + + _ _ +

Очевидно, что обязательным условием получения незатухающих колебаний в контуре является восполнение потерь энергии именно в моменты совпадения полярности конденсатора и источника и отключение конденсатора от источника в другое время. В качестве устройства, способного осуществить такую функцию можно использовать транзистор, через который конденсатор колебательного контура будет соединен с источником тока. быстродействующий прибор пока на базу не подан сигнал – ток через транзистор не идет, конденсатор отключен от источника при подаче сигнала – ток через транзистор идет и конденсатор заряжается от источника?

В качестве устройства, способного «подать сигнал» в нужный момент, используют катушку обратной связи, один конец которой соединен с базой, а другой с эмиттером (связь индуктивная) L св. L Э Б К Мы получили систему, в которой могут вырабатываться незатухающие колебания за счет восполнения потерь энергии от источника внутри самой системы.

Процесс в автоколебательной системе: После зарядки конденсатора его верхняя обкладка заряжена положительно, нижняя - отрицательно Конденсатор начинает разряжаться через катушку. Ток в первой четверти периода постепенно нарастает, затем убывает, порождая переменное магнитное поле, пронизывающее витки катушки L . В катушке L св, которая индуктивно связана с катушкой контура, возникает магнитное поле, имеющее такое же направление и появляется индукционный ток, направленный от эмиттера к базе. Транзистор пропускает ток к конденсатору, в котором в это время протекает еще индукционный ток, совпадающий по направлению с первоначальным. Все потери энергии восполняются, знаки зарядов пластин меняются на противоположные L св. L Э Б - I К + -

Ток через конденсатор теперь течет в противоположном направлении, нарастая в первой четверти и убывая во второй Порождаемое током магнитное поле, пронизывает витки катушки контура, а, следовательно, и индуктивно связанной с ней катушки L св.. В катушке обратной связи возникает индукционный ток, направленный от базы к эмиттеру, в результате чего потенциал базы оказывается выше и ток к конденсатору не идет. В конденсаторе протекает только индукционный ток, совпадающий по направлению с током в начале полупериода. Конденсатор перезаряжается, знаки пластин меняются на противоположные. L св. L Э Б + - + - + -

Автоколебания. Генератор незатухающих колебаний (на транзисторе)

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.

Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан - некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь - управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль "клапана" играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку L св индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).
2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, - клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

В генераторе на транзисторе вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.

Тема урока : "Генератор на транзисторе. Автоколебания"

План – конспект урока по физике, подготовила Мызникова Елена Викторовна, учитель физики МБОУ гимназия №64 , 11 класс.

Тип урока: Урок изложения нового материала.

Цели урока :

Образовательные:

Сформировать понятие автоколебаний, рассмотреть принцип действия генератора незатухающих колебаний на транзисторе.

Продолжить формирование знаний по физическим основам получения переменного тока.

Развивающие:

Развивать практические умения учащихся: умение анализировать, обобщать, выделять главную мысль из рассказа учителя и делать выводы.

Развивать умение применять полученные знания в новых условиях.

Воспитывающие:

Расширить мировоззрение учащихся об истории исследования по проблемам вынужденных колебаний, вкладе ученых в становление теории автоколебаний.

Отрабатывать навыки учебного труда по ведению конспекта материала.

Оборудование : компьютер, рабочие листы для учащихся, тест.

Демонстрации : презентация по теме, катушк а индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58 , батарея напряжением 4,5В, комплект универсального трансформатора , электронный осциллограф ОЭШ.

Структура урока:

1. Организационный момент, актуализация знаний, необходимых для усвоения нового материала

2. Сообщение темы и цели урока, мотивация учебной деятельности (через создание проблемной ситуации и выявление личного опыта учащихся по теме урока)

3. Изучение нового материала, демонстрационный эксперимент.

4. Проверка понимания учащимися изученного материала и его первичное закрепление.

5. Рефлексия домашнее задание.

План – конспект:

Структура урока,

время этапа

Обучающиеся дают ответы на вопросы. 1.Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков 2. Транзистор - усилитель электрических колебаний.3.Состоит из трёх областей, крайние из которых обладают дырочной проводимостью, а средняя - электронной: эмиттер, коллектор, база.

4. База - электроны, коллектор и эмиттер- дырки. 5. Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее количество примеси р-типа, чем количество n-примеси в n-области. Поэтому прямой ток через р-n-переход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n-р-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными элек тронами n-области. Но если n-об ласть узка и свободных электронов в ней не слишком много, то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую р-область.

Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Сегодня на уроке нам предстоит решить проблему: нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре для того, чтобы они были незатухающими. Как это можно сделать? Основываясь на своих знаниях, предложите способы решения данной проблемы. На это отводится 2 минуты. Работа в парах. Учитель корректирует и рецензирует результаты. (После выполнения задания учитель обобщает предложенные результаты, обсуждая и комментируя каждый вариант)

Вывод: Можно использовать автоколебания. Формулируется тема и цель урока (для учащихся).

Накануне первой мировой войны Россия в научном отношении значительно отставала от передовых капиталистических стран. В частности, в России не было радиотехнической промышленности. Всё оборудование для радиосвязи приходилось ввозить из-за границы, а после революции этот источник был практически закрыт. В этих условиях советские ученые Крылов, Мандельштам, Папалекси, Андронов провели столь глубокие исследования по проблемам вынужденных колебаний, что намного опередили своих западных коллег, так что мировой научный центр по этим проблемам переместился в СССР.

Широко применимы так называемые автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия. К примеру, под стальной гирей, висящей на пружине, располагается электромагнит. Если будут попеременно включать и выключать ток, то гиря начнет совершать вынужденные колебания. Попробуйте объяснить, что будет происходить дальше.

Дальше можно сделать так, чтобы гиря, колеблющаяся вверх-вниз, сама замыкала и размыкала цепь. Средний провод зажат прищепкой так, что касается гири, пока она вверху. Ток, проходя через пружину, гирю, средний провод и катушку, намагничивает ее сердечник. Гиря сделана из стали, поэтому она притягивается к сердечнику, то есть движется вниз. Вскоре она отсоединяется от среднего провода, ток прекращается, и магнитное поле исчезает. Под действием пружины гиря поднимется вверх и снова замыкает цепь.

Таким образом, будут проходить автоколебания.

Приведем примеры автоколебаний:

незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка; колебание воздушного столба в трубе органа, при равномерной подаче воздуха в неё; вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки.

Вопросы учащимся:

Вспомните то общее, что присуще таким колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники, колебательный контур.

Примером механической автоколебательной системы являются маятниковые часы, модель которых изображена на слайде. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его главных чертах сохранилось до настоящего времени: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо. Обращаю внимание учащихся на то, что в основном маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями .

В них могут возникать свободные колебания, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализированных системах они являются незатухающими, гармоническими. В этом случае их частота определяется свойствами самой системы, а амплитуда зависит от начальных условий.

Учащимся предлагают самим определить, какой вид колебаний имеет здесь место, назвать основные части этой колебательной системы: маятник (колебательная система), поднятая гиря (источник энергии), храповое колесо с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энергии от источника в систему).

Объяснение принципа работы генератора на транзисторе. В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.

Показать колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58. В качестве источника энергии служит батарея напряжением 4,5 В, роль «клапана» играет транзистор, в качестве обратной связи используют катушку от универсального трансформатора (на 12 В), концы которой соединяют с базой и эмиттером транзистора. Колебательный контур включен в цепь коллектора. Катушку контура и катушку обратной связи размещают на общем магнитопроводе из того же комплекта универсального трансформатора. Напряжение с контура подают на электронный осциллограф ОЭШ.

Изменить электроемкость батареи и наблюдают изменение частоты колебаний генератора. Изменить индуктивность катушки (например, медленно поднимая ее по магнитопроводу), наблюдают тот же эффект.

Амплитуда колебаний также зависит от самой системы. Можно продемонстрировать эту зависимость, включив последовательно в цепь контура переменное сопротивление: амплитуда колебаний генератора уменьшится.

Объяснить, что при замыкании ключа через транзистор от источника энергии проходит импульс тока, которым заряжается конденсатор контура. В контуре при разрядке конденсатора возникают свободные затухающие колебания.

Роль катушки обратной связи иллюстрируют на опыте: поменяв местами провода, идущие к катушке обратной связи, убеждаются в отсутствии, колебаний в контуре генератора. Восстановив прежнюю схему, можно увидеть, что генератор вновь работает. Делают вывод: пульсирующий ток в коллекторной цепи увеличивает или уменьшает силу тока в контуре в зависимости от того, в какие моменты открывается транзистор (а транзистор открывается и закрывается той переменной ЭДС, которая наводится в катушке обратной связи). Соответственно пульсации коллекторного тока либо совпадают с изменением тока в контуре (и тем самым усиливают его), либо оказываются противоположными (и ослабляют (гасят) ток в этом контуре). Поэтому генерация колебаний возможна только при определенном подключении катушки обратной связи.

Поднимая катушку обратной связи по магнитопроводу, наблюдать на осциллограмме уменьшение амплитуды колебаний. Это объясняют тем, что связь катушки становится слабее с контуром и тем самым уменьшается наводимая в ней ЭДС. Если связь станет еще слабее, колебания в контуре затухнут, так как при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур за период, оказывается меньше потерь энергии в контуре.

Выделяют элементы установки и выясняют их роль в работе генератора.

Делают вывод: частота колебаний генератора зависит от параметров самой колебательной системы

Предложить школьникам разобраться в энергетических превращениях в демонстрируемой автоколебательной системе: чтобы колебания в контуре были незатухающими, источник напряжения должен периодически к нему подключаться, возмещая потери энергии в этом контуре. Это достигается тем, что контур индуктивно связан с участком «эмиттер - база» через катушку обратной связи

Завершаем изучение темы рассмотрением вопроса о применении автоколебательных систем. Примеры автоколебаний в природе и технике

Поток воздуха, скорость которого больше некоторой критической величины, вызывает колебания - полоскание флага на ветру колебания листьев растений под действием равномерного потока воздуха; образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек; голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки; действие регулярных гейзеров и пр. На автоколебаниях основан принцип действия большого количества всевозможных технических устройств и приспособлений, в том числе: работа всевозможных часов как механических, так и электрических; звучание всех духовых и струнно-смычковых музыкальных инструментов; действие всевозможных генераторов электрических и электромагнитных колебаний, применяемых в электротехнике, радиотехнике и электронике; работа поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания некоторые системы автоматического регулирования работают в режиме автоколебаний, когда регулируемая величина колеблется в окрестности требуемого значения, то превышая его, то опускаясь ниже него, в допустимом для целей регулирования диапазоне (например, система терморегулирования бытового холодильника).

Итак, 1. Что такое автоколебательная система? 2. В чем отличие автоколебаний от вынужденных и свободных колебаний? 3. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?
4. Как осуществляется обратная связь в генераторе на транзисторе?
5. Укажите основные элементы автоколебательной системы.
6. Приведите примеры автоколебательных систем, не рассмотренных на уроке.

Выполнение проверочного теста

Какие из перечисленных колебаний относятся к автоколебаниям? 1. Колебания маятника в часах. 2. Колебания груза на пружине. 3. Биение сердца. 4. Колебания в генераторе высокой частоты. 5. Колебания струны гитары.

А. Только 1; 4. Б. Только 1; 3; 4. В. Только 1; 4.

На рисунках 1 и 2 даны электрические схемы. В какой из них могут наблюдаться автоколебания?

А. Рисунок 1. Б. Рисунок 2. В. В предложенных схемах автоколебания осуществляться не могут.

А. Только от емкости конденсатора. Б. От напряжения батареи, емкости конденсатора и индуктивности катушки. В. Только от емкости конденсатора и индуктивности катушки.

Каково назначение катушки связи?

А. Устанавливает обратную связь между колебательным контуром и источником тока. Б. Устанавливает обратную связь между транзистором и источником тока. В. Устанавливает обратную связь между колебательным контуром и транзистором.

Каково назначение транзистора в генераторе высокой частоты?

А. Регулирует частоту в колебательном контуре. Б. Регулирует поступление энергии от источника тока в колебательном контуре. В. Вырабатывает энергию.

Какая запись правильно характеризует соотношение тока в транзисторе?

А. I Э = I Б + I К . Б. I Э = I К - I Б . В. I Б - I к + I э .

Какой потенциал относительно эмиттера должен быть на базе для поступления энергии от источника напряжения в колебательный контур? (На пластине конденсатора, соединенной с коллектором, положительный заряд.)

А. Отрицательный. Б. Положительный. В. Поступление энергии не зависит от.потенциала на базе.

Один конец катушки обратной связи соединен с базой, второй - с:

А. Коллектором. Б. Катушкой колебательного контура. В. Эмиттером .

Амплитуда установившихся колебании:

А. Зависит только от начальных условий. Б. Не зависит от параметров автоколебательной системы. В. Не зависит от начальных условий и определяется параметрами автоколебательной системы.

А. 4. Б. 1. В. 2. Г. 3.

На этом мы заканчиваем изучение механических и электрических колебаний. Замечательна тождественность общего характера процессов различной природы, тождественность математических уравнений, которые их описывают. Эта тождественность, как мы видели, существенно облегчает изучение колебаний. Мы ознакомились с наиболее сложным видом колебаний - автоколебаниями. В автоколебательных системах вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ. Для создания нового необходимо изучить особенности имеющегося материала. Только пытливость и активный поиск двигают науку вперёд. Дерзайте, творите, фантазируйте! Домашнее задание: «А»- конспект урока «В»-конспект, § 36,

«С»- конспект, § 36,№ 971, 979 (Рымкевич)

Свободные колебания всегда затухают из-за потерь энергии (трение, сопротивление среды, сопротивление про­водников электрического тока и т. п.). Между тем и в тех­нике и в физических опытах крайне нужны незату­хающие колебания,периодичность которых сохра­няется все время, пока система вообще колеблется. Как по­лучают такие колебания? Мы знаем, что вынужденные коле­бания, при которых потери энергии восполняются работой периодической внешней силы, являются незатухающими. Но откуда взять внешнюю периодическую силу? Ведь она в свою очередь требует источника каких-то незатухающих колебаний.

Незатухающие колебания создаются такими устройства­ми, которые сами могут поддерживать свои колебания за счет некоторого постоянного источника энергии. Такие устройства называются автоколебательными системами. На рис. 55 изображен пример электромеханического устройства такого рода. Груз висит на пружине, нижний конец которой погружается при колебаниях этого пружинного маятника в чашечку со ртутью. Один полюс батереи присоединен к пружине наверху, а другой - к чашечке со ртутью. При опускании груза электрическая цепь замы­кается и по пружине проходит ток. Витки пружины благодаря магнит­ному полю тока начинают при этом притягиваться друг к другу, пру­жина сжимается, и груз получает толчок кверху. Тогда контакт раз­рывается, витки перестают стяги­ваться, груз опять опускается вниз, и весь процесс повторяется снова.

Таким образом, колебание пру­жинного маятника, которое само по себе затухало бы, поддерживается периодическими толчками, обуслов­ленными самим колебанием маятника. При каждом толчке батарея отдает порцию энер­гии, часть которой идет на подъем груза. Система сама управляет действующей на нее силой и регулирует поступ­ление энергии из источника - батареи. Колебания не зату­хают именно потому, что за каждый период от батареи отби­рается как раз столько энергии, сколько расходуется за то же время на трение и другие потери. Что же касается перио­да этих незатухающих колебаний, то он практически совпа­дает с периодом собственных колебаний груза на пружине, т. е. определяется жесткостью пружины и массой груза.

Подобным же образом возникают незатухающие колеба­ния молоточка в электрическом звонке, с той лишь разни­цей, что в нем периодические толчки создаются отдельным электромагнитом, притягивающим якорек, укрепленный на молоточке. Аналогичным путем можно получить автоколе­бания со звуковыми частотами, например, возбудить неза­тухающие колебания камертона (рис. 56). Когда ножки камертона расходятся, замыкается контакт 1; через обмотку электромагнита 2 проходит ток, и электромагнит стягивает ножки камертона. Контакт при этом размыкается, и далее следует повторение всего цикла. Чрезвычайно существенна для возникновения колеба­ний разность фаз между колебанием и силой, которую оно регулирует. Перенесем контакт 1 с внешней стороны ножки камертона на внутреннюю. Замы­кание происходит теперь не при расхождении, а при сбли­жении ножек, т. е. момент включения электромагнита передвинут на полпериода по сравнению с предыдущим опытом. Легко видеть, что в этом случае камертон будет все время сжат непрерывно включен­ным электромагнитом, т. е. колеба­ния вообще не возникнут.

Электромеханические автоколеба­тельные системы применяются в тех­нике очень широко, но не менее рас­пространенными и важными являют­ся и чисто механические автоколеба­тельные устройства. Достаточно ука­зать на любой часовой механизм. Незатухающие колебания маятника или балансира часов поддерживают­ся за счет потенциальной энергии поднятой гири или за счет упругой энергии заведенной пружины.

Автоколебаниями являются также колебания струны под действием смычка (в отличие от свободных колебаний стру­ны у рояля, арфы, гитары и других несмычковых струнных инструментов, возбуждаемых однократным толчком или рывком); автоколебаниями являются звучание духовых музыкальных инструментов, движение поршня паровой машины и многие другие периодические процессы.

Характерная черта автоколебаний состоит в том, что их амплитуда определяется свойствами самой системы, а не начальным отклонением или толчком, как у свободных ко­лебаний. Если, например, маятник часов отклонить слиш­ком сильно, то потери на трение будут больше, чем поступ­ление энергии от заводного механизма, и амплитуда будет уменьшаться. Наоборот, если уменьшить амплитуду, то избыток энергии, сообщаемой маятнику ходовым колесом, заставит амплитуду возрасти. Автоматически установится именно такая амплитуда, при которой расход и поступление энергии сбалансированы.

Устройства, объединяемые под названием автоколебательные системы, характеризуются следующими от­личительными свойствами.

Автоколебательные системы способны генерировать незату­хающие колебания. Эти колебания могут быть гармонически­ми (синусоидальными) или более сложной формы, но они могут продолжаться неограниченно долго, до тех пор, пока не вышли из строя элементы, образующие систему.

Автоколебательные системы отличаются от колебательного контура с сопротивлением, равным ну­лю. Такой контур представляет собой предельный случай, недо­стижимый на практике. Автоколебательные же системы суть реальные устройства, сопротивление которых не равно нулю.

В автоколебательных системах незатухающие колебания воз­никают под влиянием процессов, происходящих внутри системы, и для их поддержания не требуется никаких внешних воздей­ствий. В этом отношении автоколебания радикально отличаются от вынужденных колебаний, которые также могут быть незату­хающими, но для своего существования требуют периодических внешних воздействий (в механике - внешних сил, в электриче­стве - приложенных извне напряжений).

В состав автоколебательных систем входит источник энергии (в случае механических колебаний - сжатая пружина, поднятый груз и т.д., в случае электрических - батарея или иной источник тока). Этот источник периодически включается самой системой и вводит в нее определенную энергию, компенсирующую поте­ри на выделение тепла Джоуля-Ленца, что и делает колебания незатухающими.

Так как колебания в автоколебательных системах устанав­ливаются под влиянием процессов, происходящих внутри систе­мы, то они возникают самопроизвольно (самовозбуждение), под действием случайных малых воздействий, выводящих систему из равновесия (флуктуации). Возникшие малые колебания са­мопроизвольно нарастают, и в конце концов в системе образу­ются установившиеся колебания, свойства которых (частота, ин­тенсивность, форма) определяются параметрами системы и не зависят от начальных условий.

Как создать незатухающие колебания в контуре? Известно, что если конденсатор колебательного контура зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебаний заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется (он всегда равен нулю), но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного заряда другой на равные по модулю значения. В результате энергия колебаний уменьшается, так как она пропорциональна квадрату заряда одной из пластин конденсатора. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу - отрицательно (рис. 4.21). Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу - положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник (рис. 4.22). Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Следовательно, источник постоянного напряжения, постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания. В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник. В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору. Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа (или клапана, как его часто называют). При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из трех различных полупроводников: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (это полупроводник р-типа), а база имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа). Схематическое изображение транзистора показано на рисунке 4.23.

Работа генератора на транзисторе. Упрощенная схема генератора на транзисторе показана на рисунке 4.24. Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор -отрицательный. При этом переход эмиттер - база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база - коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет. Это соответствует разомкнутому ключу на рисунках 4.21, 4.22.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя (см. рис. 4.24) пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя - отрицательно. Это соответствует замкнутому ключу на рисунке 4.21.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя - положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре. Необходима, как говорят, обратная связь.

Обратная связь в рассматриваемом генераторе - индуктивная. К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью Lсв, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура. Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе. Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают. Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника. Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника. Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях и т. д., но и в современных электронно-вычислительных машинах.

Основные элементы автоколебательной системы. На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем (рис. 4.25).

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система - та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, - клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

Вопросы: (СОСТАВИТЬ В ТЕТРАДИ КОНСПЕКТ ПУТЕМ ОТВЕТА НА НИХ!)

1. Что такое автоколебательная система?

2. В чем отличие автоколебаний от вынужденных и свободных колебаний?

3. Как устроен транзистор?

4. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?

5. Как осуществляется обратная связь в генераторе на транзисторе?

6. Укажите основные элементы автоколебательной системы.

7. Какие колебания называются незатухающими?

8. Какие колебания называются вынужденными?

9. Опишите, каким образом осуществляются автоколебания пружинного маятника.

10. Где применяются автоколебательные системы?

11. Укажите характерную черту автоколебаний.

12. Укажите свойства автоколебательных систем (по пунктам 1,2,3 и так далее, все сколько их есть)

13. Какую роль играет источник энергии в составе автоколебательной системы?

14. Укажите причины, приводящие к затуханию колебаний (написать самостоятельно, в этом тексте нет).

15. Зарисуйте схему и опишите процесс создания незатухающих колебаний в контуре.

16. Для чего используется транзистор в генераторе?

17. Зачем нужна обратная связь?

18. Зарисуйте схему и опишите поэтапно процесс работы генератора на транзисторе.

Задачи на тему «Электрические колебания» (ЗА РЕШЕНИЕ ОТДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА)

1. 1259 . Плоский конденсатор состоит из двух круглых пластин диаметром 8 см. Между пластинами зажата стеклянная пластина толщиной 5 мм. Обкладки конденсатора замкнуты через катушку индуктивностью 0.02 Гн. Опреде­лите частоту колебании, возникающих в этом контуре.

2. 1260. Колебательный контур состоит из катушки индук­тивностью 0,003 Гн и плоского конденсатора. Пластины конденсатора в виде дисков радиусом 1.2 см расположены на расстоянии 0,3 мм друг от друга. Определите период собственных колебаний контура. Каким будет период коле­баний, если конденсатор заполнить диэлектриком с диэлек­трической проницаемостью 4?

3. 1261. Катушка индуктивностью 30 мкГн присоединена к плоскому конденсатору с площадью пластин 0.01 м и расстоянием между ними 0.1 мм. Найдите диэлектриче­скую проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами, если контур настроен на частоту 400 кГц.

4. 1262. В каких пределах должна изменяться электроем­кость конденсатора в колебательном контуре, чтобы в нем могли происходить колебания с частотой от 400 до 500 Гц?Индуктивность контурной катушки равна 16 мГн.

5. 1263. В каких пределах должна изменяться индуктив­ность катушки колебательного контура, чтобы в нем могли происходить колебания с частотой от 400 до 500 Гц? Ем­кость конденсатора равна 10 нкФ.

Цель урока : формировать представление об автоколебаниях; самые разные частоты вырабатывают с помощью автоколебательных систем, без них были бы невозможны современная радиосвязь, телевидение.

Ход работы

Проверка домашнего задания методом заполнения таблицы

На карточках, розданных учащимся, с правой стороны хаотично расположены правильные ответы; с левой стороны записаны формулы, законы, выражения величин, по изученной теме.

В течение 7 минут надо записать правильные коды ответов и сдать работу учителю.

	Энергия магнитного поля		Im= Um/R
	Энергия электрического поля		XC= 1/ω C
	Полная энергия колебательного контура
	Основное уравнение, описывающее свободные колебания в контуре		Im= qmω
	Формула Томсона		U=Umsinωt
	Закон изменения электрического заряда		T= 2π/ω0= QUOTE
	Закон изменения силы тока		Q′′= – q/ LC
	Амплитуда силы тока		I= Im/ QUOTE
	Закон изменения напряжения		XL = ωL
	Поток магнитной индукции		Q= qmcosω0t
	Активное сопротивление в электрической цепи с резистором		W= QUOTE + QUOTE
	Действующее значение силы тока		Ф= BScosωt
	Действующее значение напряжения		I =Imsin(ωt+φ)
	Формула емкостного сопротивления		R= Um/Im
	Формула индуктивного сопротивления
	Амплитуда силы тока при резонансе		Wk= Li2/2
	Мощность в электрической цепи с резистором		U=Um/ QUOTE

Код ответа: 1- 16; 2- 3; 3- 11; 4- 7; 5- 6; 6- 10; 7- 13; 8- 4; 9- 5; 10- 12; 11- 14; 12- 8; 13- 17; 14- 2; 15- 9; 16- 1; 17- 15/

Изучение нового материала

Повторение механических автоколебаний.

1. Автоколебательные системы.

Если в систему, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания,

Поместить источник энергии и система сама регулировала бы подачу энергии порциями, то появятся незатухающие колебания.

Системы называются Автоколебательными , если в них создаются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри системы.

Генератор на транзисторе – автоколебательная система.

2. Как создать незатухающие колебания в контуре?

Необходимо обеспечивать автоматическую работу клапана или ключа.

Клапан должен обладать большим быстродействием. Такую работу безынерционного клапана выполняет транзистор, который состоит из 3-х полупроводников: коллектора,

Эмиттера и базы. Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда;

Основные носители базы имеют противоположный знак.

3. Работа генератора на транзисторе.

На схеме видим, что колебательный контур последовательно соединен с источником напряжения, а далее расположен транзистор.

На коллектор подается отрицательный потенциал, а на эмиттер – положительный.

Переход база – коллектор является обратным (ток в цепи не идет); при этом переход эмиттер - база оказывается прямым. Что соответствует разомкнутому ключу на схемах.

Чтобы в контуре появился ток и зарядил конденсатор необходимо сообщать базе отрицательный потенциал относительно эмиттера. Это соответствует замкнутому ключу на схеме. Для компенсации потерь энергии в контуре напряжение на эмиттерном переходе

Должно постоянно менять знак, для осуществления обратной связи.

В данном случае обратная связь возникает из-за индуктивной связи катушек. Одна из ник расположена в контуре, другая подключена к эмиттерному переходу.

Чтобы колебания в контуре не затухали, необходимо подбирать фазу колебаний напряжения на эмиттерном переходе так, что «толчки» тока действуют на контур в нужные интервалы времени.

От индуктивности катушки и емкости конденсатора зависит частота колебаний в контуре.

ω0=1 / QUOTE

Чем меньше индуктивность и емкость, тем больше частота колебаний

Генераторы на транзисторах широко применяются в радиотехнических устройствах, электронно – вычислительных машинах.

4. Основные элементы автоколебательной системы.

Выделим основные элементы, применяемые во многих автоколебательных системах.

Источник энергии автоколебаний	Для электромагнитных колебательных систем	Для механических колебательных систем
1. Источник постоянного напряжения	Генератор на транзисторе	Потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины
2. Колебательная система	Колебательный контур
3. Регулятор поступления энергии	Транзистор	Анкерное устройство
4. Обратная связь	Индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер – база

Закрепление изученной темы

1. Где возникают автоколебания?

2. Чем отличаются автоколебания от свободных и вынужденных колебаний?

3. Описать роль транзистора в создании автоколебаний?

4. Что такое обратная связь и как она осуществляется в генераторе на транзисторе?

5. Выделить элементы автоколебательной системы.

Подведем итоги урока

Домашнее задание: § 36, повт. §34, № 971, 976.