Режимы самовозбуждения автогенератора

Автогенератор, в зависимости от условий, может работать в мягком или жестком режиме самовозбуждения. Для раскрытия особенностей этих режимов самовозбуждения удобно совместно рассматривать амплитудную характеристику усилителя с цепью ООС (собственно усилитель), которая всегда имеет нелинейность, и амплитудную характеристику петли положительной ОС, которая является линейной (цепь обратной связи является линейным четырехполюсником).

На рис. 3.2, а представлена типовая амплитудная характеристика нелинейного собственно усилителя.

При малых входных сигналах выходной сигнал изменяется пропорционально входному (усилитель имеет постоянный коэффициент усиления, равный тангенсу угла наклона АХ к оси абсцисс), при больших входных сигналах указанная пропорциональность нарушается (коэффициент усиления усилителя зависит от амплитуды входного сигнала). Линия обратной связи является прямой, проведенной под углом  к оси абсцисс, так как между выходным напряжением и напряжением ОС наблюдается линейная зависимость .

В момент включения питания автогенератора на входе усилителя действует шум, имеющий широкий спектр частотных составляющих, в том числе составляющую , частота которой соответствует резонансной частоте избирательной системы. Следует отметить, что прочие спектральные составляющие шума будут подавлены в той или иной мере избирательной системой. На выходе усилителя после усиления  в К раз появится выходной сигнал , который после ослабления цепью ПОС в   раз поступает на вход усилителя в виде напряжения . Процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения (будет выполнено условие баланса амплитуд).

Из рис. 3.2, а видно:

точка А является точкой устойчивого равновесия;

генерация возможна только при таких условиях, когда линия обратной связи пересекает амплитудную характеристику усилителя, что соответствует выполнению условия . 

Рассмотренный выше режим самовозбуждения автогенератора называется мягким. Для его обеспечения необходимо, чтобы АХ усилителя выходила из нуля и имела бы в начале координат линейный участок с достаточным углом наклона к оси абсцисс.

Мягкий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ АХ усилителя и прямая обратной связи пересекаются только в одной точке, которая является точкой динамического равновесия;

§ колебания, если изменять коэффициент ПОС β, возникают (прекращаются) при одном и том же коэффициенте ПОС ;

§ при  для возбуждения автогенератора не требуется внешних воздействий;

§ при мягком режиме самовозбуждения генератора существует возможность установки заданной амплитуды колебаний путем подбора коэффициента ПОС  .

 Вместе с тем следует отметить, что мягкий режим работы автогенератора экономически невыгоден, так как автогенератор работает в линейном режиме и его к.п.д. не превышает 50%.

Несмотря на указанный недостаток, мягкий режим самовозбуждения является основным режимом работы автогенераторов.

Процесс возбуждения колебаний происходит иначе, если усилитель имеет S – образную АХ (рис.3.2, б). При установке коэффициента ПОС β < β ₂  АХ усилителя и линия ПОС не имеет точек пересечения. Это значит, что коэффициент ПОС мал, и автогенератор не возбуждается.

При установке коэффициента ПОС β ₁ < β < β ₂  АХ усилителя и линия ПОС имеет две точки пересечения А и С. Это значит, что условие баланса амплитуд выполняется для двух значений амплитуды колебаний автогенератора.

Точка С характеризует неустойчивое состояние автогенератора. Пусть в некоторый момент времени амплитуда на выходе генератора соответствует точке С, при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К _С. Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U _ВХ = β·U _ВЫХ, и вызовет дальнейшее уменьшение амплитуды выходных колебаний, поскольку коэффициент усиления усилителя К меньше, чем К _С. Результатом внешнего воздействия в рассматриваемом случае будет срыв колебаний. Напротив, если под действием внешнего фактора амплитуда колебаний увеличится, то возрастет и сигнал на входе. Это вызовет дальнейшее увеличение амплитуды выходных колебаний, которое будет происходить до тех пор, пока система не перейдет в стационарное состояние.

Точка А характеризует устойчивое (стационарное) состояние автогенератора, при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К_А. Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний, соответствующая точке А, уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U _ВХ = β U _ВЫХ. Однако, поскольку коэффициент усиления усилителя К в рассматриваемом случае больше К _А, входной сигнал получит большее усиление и амплитуда выходного сигнала возрастет и вновь будет соответствовать точке А.

Очевидно, что для запуска автогенератора амплитуда возбуждающего воздействия должна превысить значения амплитуды входного сигнала, соответствующей точке С. Рассмотренный режим возбуждения автогенератора называется жестким.

В случае, если установить коэффициент ПОС β = β ₂, то  автогенератор работает также, как и в мягком режиме, при этом существует точка устойчивого равновесия.

Рассмотрим, как изменяется амплитуда колебаний, если изменяется коэффициент ПОС, а внешние воздействия отсутствуют.

В соответствии с рассмотренным выше, запуска генератора не произойдет, если β < β ₂(линия ПОС β проходит левее линии β ₂). Запуска генератора не произойдет и в случае, если β ₁ < β < β ₂(линия ПОС β проходит между линиями β₁ и β₂), так как внешний электрический толчек отсутствует. Генератор возбудится только в случае β = β₁, при этом установится стационарная амплитуда колебаний. Если после запуска генератора дальше уменьшать коэффициент ПОС β в пределах β ₁ < β < β ₂, то срыва колебаний не произойдет, будет лишь уменьшаться амплитуда колебаний. Срыв колебаний произойдет в случае, когда β = β ₂. Для возобновления колебаний необходимо снова установить коэффициент ПОС β = β ₁.

Таким образом, жесткий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§  кривая коэффициента усиления усилителя имеет точку перегиба и пересекается с прямой ПОС в одной или двух точках;

§ существует два значения критического коэффициента ПОС (β ₁и β₂), соответствующие запуску и срыву колебаний автогенератора;

§ амплитуда колебаний даже для критической ПОС запуска β ₁ не может быть близка к нулю;

§ существует возможность запуска генератора при β ₁ < β < β ₂за счет начального внешнего толчка.

Жесткий режим автогенератора более экономичен (автогенератор имеет более высокий к.п.д.), чем мягкий режим, так как усилитель работает в нелинейном режиме. Вместе с тем, при жестком режиме невозможно получить колебания малой амплитуды, а запуск генератора имеет определенные сложности. Жесткий режим самовозбуждения автогенераторов применяется  редко.