понедельник, 8 января 2018 г.

Высокочастотный двухтактный LC генератор на биполярных транзисторах

Электрические генераторы высокочастотных колебаний применяются например для создания радиоволн. Радиоволны это электромагнитные волны и источником их являются электроны движущиеся с ускорением (положительным или отрицательным). Высокочастотные генераторы создают изменяющееся во времени ЭДС под воздействием которого электроны ускоряются и замедляются (ускоряются со знаком минус) в результате чего и создаются радиоволны. Чем с большей частотой работает генератор тем более высокочастотные радио волны создаются. Но для того чтобы создать радиоволны, мало одного генератора, для него нужна ещё и антенна. Для того чтобы антенна эффективно излучала радиоволны определенной частоты её размеры ограничены в меньшую сторону до половины длинны волны излучаемого ей излучения. Т.е. например если антенной является диполь (вибратор Герца) то его длина не должна быть меньше половины длины волны иначе излучать он будет плохо. Это ограничение можно обойти если использовать специальные согласующие устройства, но проще сделать антенну нужного размера. Связь частоты и длинны волны можно выразить формулой:
Рассчитать длину электромагнитной волны по частоте или частоту по длине электромагнитной волне можно в программе:

длинам, частотаГц

Немного поигравшись с данной программой можно понять что например для частоты 1 МГц (один мегагерц (единица с шестью нулями в герцах)) длина волны будет примерно 300 м следовательно диполь нужен длиной 150 м. Ну хорошо! Давайте тогда повысим частоту до 100 МГц, длина волны тогда будет 3 м а длина диполя 1.5 м что уже вполне приемлемо. А если частота будет 1ГГц (один гигагерц т.е. 1000 МГц) то длину можно сделать 0.15 м т.е 150 мм что вполне даже можно считать весьма компактным! Но не стоит забывать о том что такую частоту способен генерировать далеко не каждый транзистор, скорее даже редкий транзистор, и тем не менее они есть и продолжают появляться новые. У любого транзистора есть такой параметр как "граничная частота" эта частота должна быть больше той на которой будет работать данный транзистор, желательно с хорошим запасом. Высокочастотные генераторы бывают однотактные и двухтактные. Двухтактные, при прочих равных условиях, мощнее поэтому лучше использовать их. Главной составной частью генератора является усилитель (или усилители как например в случае двухтактного генератора). Для того чтобы "превратить" усилитель в генератор ему надо создать положительную обратную связь с LC контуром. Если в обратной связи не будет LC контура а будут только конденсаторы или только катушки то вероятно что генератор будет генерировать но создавать несинусоидальные колебания, например это происходит во всем известном мультивибраторе:
Рисунок 1 - Мультивибратор

Обратная связь в мультивибраторе осуществляется через конденсаторы C1 и C2. Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером т.е. на этом транзисторе сделан инвертирующий усилитель т.е. такой который инвертирует сигнал на выходе по сравнению с сигналов на входе или также можно сказать что он как бы усиливает сигнал потом смещает его по фазе на 180 градусов и выдает на выход:
Рисунок 2 - Инвертирующий усилитель
Вместо усилителя на биполярном транзисторе может быть усилитель на полевом MOSFETе в схеме с общем истоком:
Рисунок 3 - Усилитель на MOSFETе

Такой усилитель тоже будет инвертирующим. Через конденсатор C1 выход первого усилителя (назовём первым усилителем усилитель на транзисторе VT1) соединен со входом второго (на VT2), через конденсатор C2 выход второго транзистора соединен со входом первого т.о. получается как бы кольцо и в этом "кольце" из двух инвертирующих усилителей сигнал дважды сдвигается на 180 градусов что в целом даёт сдвиг на 360 что создаёт положительную обратную связь - т.е. одно из необходимых условий для возникновения генерации. Резисторы R2 и R3 задают рабочие точки транзисторов, R3 для транзистора VT1, R2 для транзистора VT2. Если в цепях обратных связей не будет ни конденсаторов ни катушек то получиться прото бистабильная ячейка которая имеет два состояния как RS триггер:
Рисунок 4 - Бистабильная ячейка

Такая ячейка или триггер не будет сама по себе генерировать. Если вместо биполярных транзисторов использовать MOSFETы и немного изменить схему то получиться, так называемый, ZVS генератор который часто используют самодельщики для создания индукционных нагревателей, повышающих преобразователей для получения красивой дуги или электрошокеров и ещё много других интересных вещей.
Рисунок 5 - ZVS генератор

Этот генератор работает по такому же принципу, у него есть два инвертирующих усилителя, обратные связи и LC контур для генерации синусоидальных колебаний. Схема для генерации синусоидальных колебаний высокой частоты на биполярных транзисторах будет выглядеть примерно так:
Рисунок 6 - Двухтактный LC генератор на биполярных транзисторах

Для того чтобы такой генератор был высокочастотным ему нужны высокочастотные транзисторы, например КТ904А. КТ904А - это не самые высокочастотные и не самые мощные транзисторы но и они кое что могут.
Рисунок 7 - Транзистор КТ904А

Этот транзистор с виду напоминает странный наполовину золотой болт, но на самом деле он просто немного позолочен для лучшего отвода тепла т.к. золото очень слабо окисляется.
Со схемой на рисунке 6 можно даже немного аккуратно поэксперементировать. Желательно чтобы у источника питания было ограничение по току. Если его нет и например используются батарейки то можно использовать резистор по питанию например на 10 Ом  или больше. Проверена на практике например такая схема:
Рисунок 8 - Двухтактный ВЧ генератор с номиналами

Катушки L1 и L2 - это, на самом деле, одна катушка с отводом от середины который подключен к "+" питания (с учётом резистора для ограничения тока). Эта катушка например может иметь 4 витка диаметром 3.5 См и некоторой длинной которую можно изменять в широких пределах для подстройки частоты. В более удобном, для начинающих, виде схему можно представить так:
Рисунок 9 - Удобная схема

Схему можно запитать от 4х пальчиковых батареек с напряжением каждой 1.5В. Можно подать и большее напряжение но не слишком чтобы транзисторы не сгорели и при этом желательно следить за током потребляемым данным генератором.
Видео по данной теме или видеовариант данной статьи с тестами собранной схемы:

Проверка с индуктивными антеннами:

 О том как рассчитать резонансную частоту LC контура можно прочитать в статье http://electe.blogspot.ru/2011/02/blog-post_13.html. Для рассчёта этой частоты надо знать ёмкость конденсатора C2 и индуктивность самодельной катушки. С ёмкостью всё просто т.к. она обычно пишется на корпусе конденсатора или же приобретается конденсатор с заранее известной емкостью а вот определить индуктивность самодельной катушки не так просто. Но всё таки существуют эмпирические формулы для примерного расчёта емкости однослойной катушки без сердечника. Для примерного расчёта резонансной частоты LC контура, а следовательно и частоты основной гармоники генерации данного генератора, можно воспользоваться программой ниже:
Рисунок 10 - Вспомогательная картинка для использования программы ниже



Диаметр катушки =
Длина катушки =
Число витков катушки =
Ёмкость C=

Резонансная частота f=
Период колебаний T=
Индуктивность катушки L=


КАРТА БЛОГА (содержание)

4 комментария:

  1. Можно ли раскрыть тему поподробнее в следующих главах, роликах? Дополнить о генераторах на мосфетах например на IRF640. Транзистор распространённый, дешёвый и есть во всякой бытовой аппаратуре, которая может послужить донором.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. У полевых транзисторов, особенно мощных, есть некоторые особенности. Ёмкость затвора которую надо заряжать и разряжать + напряжение на затвор нужно правильное. Об этих нюансах можно рассказать в отдельном небольшом ролике, правда скорее всего получиться рассказ о том как плох данный генератор для использования его в мощных преобразователях. Попробую чего нибудь снять, правда обещять на 100% что сделаю не могу.

      Удалить