Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2020-08-10
Все заметки/Радиоэлектронные схемы
Кварцевый генератор с усилителем
Здесь мы представляем кварцевый генератор с усилителем на двух транзисторах, работающих в нестандартном режиме. Их верхняя паспортная частота — 3 МГц, однако эти транзисторы хорошо генерируют и усиливают сигнал на частотах вплоть до 27 МГц (то, что проверялось). Усилитель имеет довольно мощный выход, к которому можно подключать любую низкоомную нагрузку, а сам выход защищён от короткого замыкания, даже долговременного. Схема может управляться внешним генератором и получается очень надёжной, как по нагрузке, так и по напряжению питания, которое имеет весьма широкий диапазон: от 9 до 25 вольт.
Рис.1. Принципиальная схема кварцевого генератора с усилителем на двух транзисторах
На рисунке (1) представлена принципиальная схема такого генератора. С точки зрения схемотехники здесь нет ничего необычного: первый транзистор VT1 собран по схеме ёмкостной трёхточки и обеспечивает генерацию синусоидального сигнала, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Второй транзистор VT2 включён по схеме эмиттерного повторителя и усиливает по току сигнал от первого каскада. На выход подключается любая низкоомная нагрузка, в данном случае — катушка L1, вторичная обмотка которой полностью замкнута. Такое включение катушки иногда необходимо для создания второго (скалярного) магнитного поля.
Новизна схемы состоит в применении транзисторов, на самом деле состоящих из двух составных, по схеме Дарлингтона [1]. Речь идёт об элементе TIP41C. На рисунке (1) справа изображена его внутренняя схема. Применяемые транзисторы работают в необычном для них режиме, чем обеспечивается довольно быстрое время срабатывания и высокая частота их переключения. Если схему собрать на не составных транзисторах, то она не выдаст требуемых характеристик или даже просто не заработает.
Интересно, что схемотехнику такого генератора-усилителя можно изменять, чему посвящены рисунки (2,3). На рисунке 2, вместо катушки на выходе установлен резистор R3, концы которого подключаются к коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, а через него — к любым удалённым нагрузкам.
Рис.2.
Схемотехника генератора построена таким образом, что появляется возможность его управления при помощи внешних импульсов, амплитуда которых должна быть равна напряжению питания. Такой вариант внешнего управления отображён на рисунке (2) справа. Поскольку входное сопротивление схемы всегда будет несколько килоом, то внешний генератор может быть маломощным.
Преимуществом схемы (рис. 1,2) является общий коллектор двух транзисторов, а значит, если это будет необходимо при высоких напряжениях питания, эти коллекторы можно посадить на общий радиатор без изолирующих прокладок. Чего нельзя сказать о следующей схеме (рис. 3), где коллекторы разнесены. Но такое включение нагрузки в виде катушки L1 позволяет получать на выходе высоковольные однополярные импульсы. Причём их амплитуда может превышать паспортное максимальное значение коллектор-эммиттер в несколько раз, что также показывает нестандартность включения транзисторов.
Рис.3.
Длительность этих импульсов определяется величиной индуктивности выходной катушки. Эксперименты показали, что лучше всего генератор воспринимает плокие катушки [2], но может работать и с классическими однослойными. В последнем случае провод намотки должен быть достатоно толстым в сечении (0.9-2 мм) и иметь 25-50 витков. Также, катушка не должна иметь ферромагнитный сердечник.
Ниже приводятся осциллограммы на выходе генератора для двух разных катушек (по схеме 3). Щуп 1:10. Первая катушка плоская, намотана проводом 1 мм, имеющая 35 витков. Осциллограммы на выходе при этом представлены на рисунках (4,5). Вторая катушка — плоская, имеющая 45 витков провода 1 мм, намотанных на каркасе 30 мм. Осциллограммы на выходе с этой катушкой представлены на рисунках (6,7).
Рис.4. Плоская катушка. Один импульс
Рис.5. Плоская катушка. Несколько импульсов
Рис.6. Однослойная катушка. Один импульс
Рис.7. Однослойная катушка. Несколько импульсов
Необходимо отметить, что оптимальное напряжение питания схемы — 12 В. При таком напряжении резисторы R2 и R3 на всех схемах должны быть достаточно мощными: R2 — не менее одного ватта, R3 — не менее двух. А если напряжение питания будет выше 12 В, то их мощность нужно ещё увеличить, а транзисторы VT1 и VT2 установить на радиатор.
Используемые материалы
  1. Википедия. Составной транзистор.
  2. N. Tesla. Coil for electro-magnets. US512340, Patented Jen. 9,1894.