Энергосбережение в энергетике и теплотехнология
Лабораторные работы Примеры расчета типовых задач Расчетно-графическая работа Электрические цепи постоянного и переменного тока

Лабораторные работы, примеры расчета типовых задач по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

Стационарные и переходные процессы в автогенераторе

Цель работы: исследование стационарного и переходного режимов работы LC-генератора. В работе исследуются колебательные характеристики нелинейного элемента в зависимости от амплитуды генерируемых колебаний, коэффициентов обратной связи для мягкого и жесткого режимов самовозбуждения автогенератора, а также изучаются методом фазовой плоскости переходные процессы в автогенераторе.

Общие сведения

Автогенератором (АГ) называют устройство, являющееся источником колебаний. Любой АГ с обратной связью представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию колебаний определенной формы.

Независимо от вида и назначения АГ должен содержать нелинейный активный элемент, линейную частотно - избирательную цепь (вместе они образуют нелинейный избирательный усилитель), а также цепь и источник питания. Структурная схема АГ приведена на рисунке 8.1, а упрощенная принципиальная схема транзиторного АГ с контуром в цепи стока, который исследуется в данной работе – на рисунке 8.2.

В этой схеме нелинейным активным элементом является транзистор VT, избирательным четырехполюсником – колебательный контур, а роль цепью ОС – катушка Lос, магнитосвязанная с Lк.

Существует два режима работы АГ:

- режим самовозбуждения, который возникает после включения АГ с малой растущей во времени амплитудой вырабатываемых колебаний,

- стационарный режим, который возникает спустя некоторое время после запуска АГ, с большой и постоянной во времени амплитудой генерируемых колебаний.

Рисунок 8.1

Рисунок 8.2.

Условие стационарности режима АГ аналитически может быть записано в виде

Ku(w0, uз10) Kос(w0) = 1 (8.1)

jк(w0) + jос(w0) = 2pn,  (8.2)

где

-коэффициент передачи нелинейного избирательного усилителя,

- коэффициент передачи цепи ОС, w0 – частота генерации,  – амплитуда первой гармоники напряжения на стоке транзистора,  – амплитуда первой гармоники на затворе транзистора,  – значение  в стационарном режиме.

Физический смысл соотношения в (8.2) состоит в том, что ОС на частоте генерации должна быть положительной. Для генерации гармонических колебаний это условие должно выполняться только на одной частоте w0. Поэтому при исследовании генераторов гармонических колебаний частоту генерации определяют обычно решением уравнений (8.2). Рассмотрим его сущность.

Колебательной характеристикой называют зависимость амплитуды первой гармоники тока нелинейного элемента Iк1 от амплитуды входного гармонического напряжения uз1, снимаемого при разорванной цепи ОС. Вместо зависимости Iк1 = f(uз1) можно исследовать имеющую ту же форму, но отличающуюся масштабом, зависимость uк1 = f1(uз1), где uк1 – амплитуда первой гармоники напряжения на стоке транзистора. Зависимости Iк1 = f(uз1), uк1 = f(uз1) - нелинейны, а их вид зависит от положения рабочей точки нелинейного активного элемента. Если же рабочая точка фиксированным смещением задана на линейном участке вольт -амперной кривой (см. рисунок 8.3, точка Б), то колебательная характеристика примет вид (см. рисунок 8.4). Режим самовозбуждения АГ при такой колебательной характеристики называют мягким. Если же рабочая точка задана на нижнем изгибе вольт - амперной кривой с малой крутизной, то колебательная характеристика примет вид (см. рисунок 8.5). Режим самовозбуждения АГ при такой колебательной характеристике называют жестким.

Характеристикой ОС называют зависимость амплитуды напряжения ОС uз1 от амплитуды первой гармоника тока нелинейного элемента Iк1 или амплитуды первой гармоники напряжения на стоке uк1. В данной лабораторной работе колебательная характеристика снимается и строится в координатах uк1 = φ1 (uэ1), так как экспериментально получить такую зависимость проще и удобнее. Характеристика ОС снимается в соответствии с координатами uэ1 = φ1(uк1). Поскольку uэ1 = uк1 / Kос(I), графиком характеристики ОС является прямая, проходящая через начало координат, под углом α = arctg (1/Kос) к оси абсцисс. Параметром, который определяет положение прямой ОС, может быть не Kос, а связанная с Kос взаимная индуктивность М между катушками Loc и Lк (Kос = М/Lк). Однако экспериментально проще определить величину Kос. Поэтому в дальнейшем параметром ОС будем считать величину Kос.

Стационарная амплитуда колебаний на входе усилителя uэ10 определяется путем проектирования точки пересечения колебательной характеристики и прямой ОС на ось uэ1 (рисунок 8.4, 8.5). Причем в жестком режиме самовозбуждения точкой стационарного режима является точка А, в которой крутизна характеристики ОС больше, чем крутизна колебательной характеристики. Аналогично можно найти стационарную амплитуду колебаний тока через нелинейный элемент Iк1о как амплитуду колебаний напряжения на стоке транзистора uз10, только точку стационарного режима нужно проектировать на ось ординат.

Для определения зависимости стационарной амплитуды колебаний на выходе генератора uк1c от величины ОС Kос(ω0) на график колебательной характеристики uк1 = f0(uз1) нужно нанести семейство прямых ОС uз1 = φ1(uз1) = uз1/Koc для различных величин Kос (рисунок 8.6), спроектировать каждую точку стационарного режима на ось ординат, после чего по полученным данным построить график uк1= ψ(Kос). Кривая, приведенная на рисунке 8.6, характеризует мягкий режим самовозбуждения: колебания возникают при некоторой величине Kос, для которой прямая ОС является касательной к начальному участку колебательной характеристики: величина Kос, при которой колебания в АГ возникают или срываются, называется критической: по мере роста Kос амплитуда uк10 меняется монотонно, причем зависимость uк10 = ψ(Kос) однозначна.

При жестком режиме самовозбуждения правило построения графика uк10 = ψ(Kос) то же, но кривая имеет иной вид (рисунок 8.7): колебания в генераторе возникают при довольно большой связи Kос кр, для которой прямая ОС является касательной к начальному участку колебательной характеристики, Амплитуда колебаний uк1 нач в этом случае сразу (скачком) устанавливается достаточно большой. При уменьшении связи колебания не срываются (а амплитуда их может даже расти) вплоть до связи Kос кр, для которой прямая ОС является касательной к среднему участку колебательной характеристики: при Kос < Kос кр2 амплитуда колебаний скачком уменьшается от uк10 ком до 0.

Исследование переходных процессов в цепях второго порядка с нелинейным элементом наиболее удобно производить методом фазовой плоскости. Под фазовой плоскостью подразумевается плоскость, в которой за координаты принимаются ток или напряжение в одной из ветвей цепи и их производные по времени. Каждая точка плоскости характеризует фазу, т.е. состояние колебательного процесса системы, и называется изображающей. При изменении состояния системы изображающая точка перемещается по фазовой плоскости, описывая фазовую траекторию, которая характеризует процесс изменения состояния системы или установления колебаний (рисунок 8.8).

Переходные процессы в АГ представляют собой сложные явления. Нестационарный процесс характеризуется спиралеобразной траекторией с центром в начале координат. Установление стационарного режима приводит к образованию замкнутой траектории. Движение отображающей точки на фазовой плоскости происходит по часовой стрелке независимо от знака производной исследуемого сигнала. Нарастающим во времени синусоидальным сигналам соответствует раскручивающаяся спираль, затухающим закручивающаяся. Фазовый портрет (рисунок 8.8), соответствует затухающим колебаниям при мягким режиме самовозбуждения.

2. Описание лабораторного макета

Упрощенная схема макета лабораторной работы приведена на рисунке 8.9. Основу макета составляет исследуемый LC - автогенератор на транзисторе VT1 с контуром LкСк и трансформаторной ОС (катушка связи Loc). Ввиду более простой конструктивной реализации регулировка величины связи осуществляется не путем изменения связи между катушками Lк и Loc, а введением делителя R2 «Kос», с помощью которого напряжение ОС составляет лишь часть напряжения на катушке Lос, снимаемого между движком потенциометра R2 и его нижним выводом. Переключатель S1 «Вид работы» позволяет разрывать ОС (положение «Избирательный усилитель») для снятия статической характеристики VT1 и при исследовании колебательных характеристик.

Для исследования переходных процессов в АГ в макете имеется транзисторный ключ, подключенный параллельно контуру генератора. Когда транзисторный ключ открыт, он шунтирует контур генератора и колебания в нем срываются. При закрывании транзисторного ключа происходит самовозбуждение АГ. Частота переключения ключа задается с внешнего звукового генератора, если он подключен к клеммам "uзг" и переключатель S2 «Процесс» находится в положении «Переходн.», а фаза может изменяться на 1800 при переводе переключателя S3 «Пер. проц» из положения «Нарастание» в положение "Затухание" путем введения инверсии в управляющее напряжение uзг.

Для проведения замеров на переднюю панель макета выведены гнезда: uз= – напряжение uз транзистора VT1; uз≈ – переменное напряжение на затворе транзистора; uк1 – выходное напряжение генератора. Встроенный амперметр позволяет контролировать постоянную составляющую коллекторного тока VT1 при изменении рабочей точки (потенциометром R3 «uз»).

Для исследования переходных процессов методом фазового портрета на панель макета выведены три клеммы: «X», «Y», на которые, выведены выходное напряжение генератора и его производная (с дифференцирующей цепочки СфRф), а также «Z», на которую подается импульсное напряжение, используемое для модуляции яркости луча осциллографа.

Примечание: для получения фазового портрета на экране осциллографа вход вертикального отклонения подключают к клеммам «Y» макета, развертку отключают и подают на вход «X» напряжение с клемм «X» макета, а напряжение с клемм «Z» - на вход «Z» осциллографа.

3. Порядок выполнения работы

1. Снятие сток – затворной характеристики Iк = f(uз) нелинейного элемента VT1. Подключить вольтметр к гнездам uз= макета и использовать для измерения постоянного напряжения uз. Установить переключатель «Процесс» в положение «Стац.», а переключатель «Вид работы» – в положение «Избират. усилитель».

1.1. Меняя напряжение uз потенциометром «uз=» и фиксируя ток стока транзистора Iк встроенным в макет миллиамперметром, а напряжение uэ – вольтметром, снять зависимость Iк = f(uз). Напряжение uз менять так, чтобы ток менялся от 0 до значений, при которых эта зависимость станет линейной.

1.2. Построить график сток - затворной характеристики транзистора и выбрать на нем точки, соответствующие мягкому и жесткому режимам самовозбуждения АГ. Записать параметры этих точек.

2. Исследование колебательных характеристик uк1 = f1(uэ1) для мягкого и жесткого режимов самовозбуждения. Положение переключателей макета прежнее. Подключить звуковой генератор к клеммам «uзг» макета, а вход "Y" осциллографа – к клеммам «uк1». Установить выходное напряжение звукового генератора не более 10мВ. Настроить, изменяя частоту ЗГ, контур исследуемой схемы в резонанс, зафиксировав его по максимуму размаха колебаний на экране осциллографа. Записать значение f0.

2.1.Потенциометром uз= установить смещение uз, соответствующее мягкому режиму самовозбуждения LC – автогенератора. Положение рабочей точки можно контролировать постоянной составляющей тока Iк, фиксируемой встроенным в макет миллиамперметром.

Постепенно увеличивая выходное напряжение ЗГ от uз1 = 0 до uз1 max = (20 - 30) мВ и фиксируя амплитуду uк1 на экране осциллографа, снять зависимость uк1 = f(uз1) колебательной характеристики для мягкого режима самовозбуждения.

2.2. Потенциометром uз= установить смещение, соответствующее жесткому режиму самовозбуждения. Снять колебательную характеристику для жесткого режима возбуждения.

2.3. Построить графики колебательных характеристик мягкого и жесткого режимов самовозбуждения.

3. Снятие характеристик ОС uз1 = φ1(uк1) Положение переключателей макета прежнее. Подключить ЗГ к клеммам «uзг» макета, а осциллограф – к клеммам «uк1». Установить частоту колебаний ЗГ равной f0, а его выходное напряжение таким, чтобы uк1 = (1 - 2) В. Записать величину uк1.

3.1. Подключить осциллограф к.клеммам «uз» и, меняя положение движка потенциометра «Kос» через одно деление, с помощью осциллографа замерить соответствующие показания uэ1.

3.2. Рассчитать значения Kос1 = uэ11/uк1, соответствующие отельным положениям движка «Kос» и построить на одном рисунке с колебательными характеристиками графики характеристик ОС.

4. Исследование зависимости стационарной амплитуды колебаний от величины ОС. Подключить осциллограф к клеммам «uк1» макета. Переключатель «Вид работы» поставить в положение «Избират. усилит.» и потенциометром «uз1» установить рабочую точку, соответствующую мягкому режиму самовозбуждения АГ.

4.1. Потенциометр «Kос» поставить в положение Kос = 0 и перевести переключатель «Вид работы» в положение «Генерация». Увеличивая Kос от нулевого значения до максимального, снять зависимость uк10 = φ(Kос). Определить и записать величину Kос кр. Снять зависимость uк10 = φ(Kос), уменьшая величину Kос от максимального значения до 0.

4.2. Перевести переключатель «Вид работы» в положение «Избират. усилит.». Потенциометром «uэ=» установить рабочую точку в положение, соответствующее жесткому режиму самовозбуждения АГ. Перевести тумблер «Вид работы» в положение «Генерация».

Снять зависимость uк10 = j(Kос) увеличивая Kос от 0 до Kос max. Зафиксировать величину Kос кр1.

Снять зависимость uк10 = j(Kос) увеличивая Kос от Kос max до 0. Зафиксировать величину Kос кр2.

4.3. Построить на отдельных рисунках графики зависимостей стационарной амплитуды колебаний от величины сигнала для мягкого и жесткого режимов самовозбуждения. Проверить, совпадает ли вид этих зависимостей с теоретическими.

5. Исследование переходных процессов в АГ. Собрать лабораторную установку в соответствии с блок-схемой (рисунок 8.10). Переключатель «Процесс» установить в положение «Перех.», «Вид работы» – «Генерация». Ручка потенциометра «Kос» – в среднем положении.

На выходе генератора выставить амплитуду сигнала порядка 20-30 В и подобрать частоту его так, чтобы на экране осциллографа наблюдалось 5-6 неподвижных витков спирали (частота должна быть примерно на порядок меньше резонансной частоты колебательного контура АГ). Установить переключатель «Пер. проц.» в положение «Нарост.» и добиться устойчивой картины на осциллографе и зарисовать фазовый портрет. Установить переключатель «Перех. проц.» в положение «Затух.» и повторить.

4. Содержание отчета

1. Таблицы и графики экспериментальных исследований.

2. Осциллограммы фазовых портретов.

3. Выводы о полученных экспериментальных зависимостях.

5. Контрольные вопросы

1. Сформулировать условие стационарности колебаний.

2. Записать условия баланса фаз и баланса амплитуд и пояснить их физический смысл.

3. Что такое колебательная характеристика?

4. Охарактеризовать мягкий режим самовозбуждения.

5. Охарактеризовать жесткий режим самовозбуждения.

6. Показать причины, приводящие к возникновению гистерезиса и кривой зависимости uк10 = f(Kос) при жестком режиме возбуждения.

Рекомендуемая литература:

Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Пособие для вузов / И.С. Гонорвский. ­ 5-е изд., испр. и доп. ­ М.:Дрофа, 2006. ­ 719 с.: ил.

Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. Для вузов по спец. «Радиотехника». ­ 3-е изд., перераб. и доп. ­ М.: Высш. шк., 2000. ­ 462 с.: ил.


Лабораторные работы, примеры расчета типовых задач по электротехнике