Электрические колебания автоколебания генератор на транзисторе. Затухающие электрические колебания

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

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.

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

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.

Таким образом, будут проходить автоколебания.

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 .

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).

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.

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

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).

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.

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

Слайд 2

Автоколеба́ния - незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия. Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы. Термин автоколебания в русскоязычную терминологию введён А. А. Андроновым в 1928 году.

Слайд 3

Примерами автоколебаний могут служить: незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири; колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка; возникновение переменного тока в цепях мультивибратора и в других электронных генераторах при постоянном напряжении питания; колебание воздушного столба в трубе орга́на, при равномерной подаче воздуха в неё; вращательные колебания латунной часовой шестерёнки со стальной осью, подвешенной к магниту и закрученной (опыт Гамазкова)

Слайд 4

Условия возбуждения автоколебаний

а) энергия от источника должна поступать в такт с колебаниями в контуре; б) поступающая от источника энергия должна быть равна ее потерям в контуре.

Слайд 5

Часы как автоколебательная система.

Слайд 11

Работа генератора на транзисторе

1.Чтобы в цепи возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе «-» относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена «+», а нижняя – «-». Это соответствует замкнутому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно переодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в контуре. 3. Необходима обратная связь.

«Физика - 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником энергии.
Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания .

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными . Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями .

Генератор на транзисторе - пример автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре 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.
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. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

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.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, 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.

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 пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

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 обратная связь .

Здесь обратная связь - индуктивная
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью L CB , 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, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.

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 - транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе - индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Работа генератора на транзисторе. 1.Чтобы в цепи возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе «-» относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена «+», а нижняя – «-». Это соответствует замкнутому ключу. 2. Для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно переодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения в контуре. 3. Необходима обратная связь.

Слайд 11 из презентации «Автоколебания» к урокам физики на тему «Виды колебаний»

Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке физики, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Скачать всю презентацию «Автоколебания.pptx» можно в zip-архиве размером 136 КБ.

Скачать презентацию

Виды колебаний

«Затухающие колебания» - Следовательно движение носит апериодический (непериодический) характер – выведенная из поло- жения равновесия система возвращается в положение равновесия, не совершая колебаний. перестает быть периодическим. Тема: Затухающие колебания. Свободные затухающие колебания в электрическом колебательном контуре; 26.27.

«Автоколебания» - Генератор высокочастотных электромагнитных колебаний. Термин автоколебания в русскоязычную терминологию введён А. Часы как автоколебательная система. Автоколебания - незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.

«Физика «Гармонические колебания»» - Коэффициент затухания. Движение от некоторой начальной точки до возвращения в ту же точку. Затухающие колебания представляют собой непериодические колебания. Заряд на обкладке конденсатора. Максимальные значения. Затухание принято характеризовать логарифмическим декрементом. Другой тип резонанса. Уравнение затухающих колебаний в контуре.

«Гармонические колебания и маятники» - Свободные колебания. Маятник. Процессы. Разделим уравнение. Периодическое колебательное движение. Понятие вращающегося вектора. Энергия гармонического колебательного движения. Маятники. Печень. Колебательная система. Материальная точка. Гармоническое колебание с начальной фазой. Ускорение при гармонических колебаниях.

«Гармонические колебания» - Вращающийся вектор амплитуды полностью характеризует гармоническое колебание. 3. Разность фаз изменяется во времени произвольным образом. Амплитуда А результирующего колебания зависит от разности начальных фаз. По правилу сложения векторов найдем суммарную амплитуду, результирующего колебания: Такие колебания называются линейно поляризованными.