Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2019-12-20
Все заметки
Генератор для длинной линии в нескольких режимах работы
Этот генератор может работать с различными нагрузками и режимами: от небольшого отрезка провода длиной 20 см в режиме длинной линии, до катушки индуктивности в режиме резонанса первого или второго рода (РВР). В отдельных случаях, генератор работает с ЯМР проводника, ведёт себя самым неклассическим образом и влияет на рядом расположенную аппаратуру. Он является ещё одним вариантом схемотехники генераторов на одном транзисторе, работает в большом диапазоне питающих напряжений (5..70 В), содержит минимальное количество деталей и подходит для широкого спектра исследовательских задач.
Общая схема генератора представлена на рисунке (1a). Транзистор VT1 здесь включён в цепи высокой частоты «по схеме с общей базой», которая заземляется через конденсатор C1. Цепочка резисторов R1-R2 подаёт на неё положительное смещение, а положительная обратная связь возникает благодаря ёмкости C3, включённой между коллектором и эмиттером этого транзистора, и дросселю L2. Конденсатор C2 сглаживает все пульсации от работы генератора и замыкает обратную связь по цепи питания, которое подаётся на разъёмы XS1-XS2.
Рис.1. Варианты включения генератора: a — с катушкой индуктивности, b — с длинной линией, c — с внешним управлением.
Как мы видим, на схеме нет конденсатора, подключённого параллельно L1 и образующего классический колебательный контур. Вы удивитесь, но если такую ёмкость подключить, то эффект получится совершенно противоположный ожидаемому: вместо уменьшения частоты, генератор перейдёт в другой режим и резко увеличит частоту выходных импульсов. Кроме того, отсутствие такого конденсатора позволяет полнее раскрыть волновые свойства катушки или длинной линии (L1 по схеме).
В качестве L1 можно подключать два вида индуктивностей.
1. Длинная линия. Это может быть просто отрезок провода длиной 20 см и более. Интересно, что в случае двадцатисантиметровой длины проводника, осциллограф может показать частоту на L1 порядка 5-20 МГц, хотя четверть длины волны при такой частоте составлят 4-15 метров. Мало того, даже при небольших мощностях (3-4 Вт) нижний по схеме вывод L1 может сильно обжигать кожу при прикосновении к нему. Последний эффект относится и к следующему виду нагрузки.
2. Катушка индуктивности. Здесь подходят все виды намотанных катушек. Особенно хорошо себя показала плоская катушка Тесла [1]. Для всех видов индуктивносей очень желательна высокая добротность. Например, если в разрыв цепи L1 установить сопротивление даже небольшого номинала (5-15 Ом), то генерация может не запуститься.
Режимы работы генератора
1. Пачки импульсов. Хотя в схемотехнике генератора нет низкочастотных цепочек, при некоторых условиях он может отдавать пачки импульсов, причём частота пачки может быть довольно низкочастотной, вплоть до звуковой частоте. При этом, частота заполнения пачки будет обычной для выбранного вида индуктивности. Такой режим можно получить при низких значениях питающего напряжения в 3-4 В, либо при условии, когда индуктивность L1 больше, чем индуктивность L2. Этот режим отличается сверх низким потреблением.
2. Синусоидальные колебания. Не основной режим работы. Является переходным между первым и последующим третьим режимом, когда постепенно повышается напряжение питания.
3. Режим РВР. Основной и стабильный режим работы. При этом на L1 можно наблюдать однополярные выбросы относительно большой амплитуды. Его можно добиться повышением напряжения питания схемы, подстройкой резистором R1 и подключением параллельно L1 небольшой ёмкости, например 1 nF.
4. Режим ЯМР. Его также можно добиться подстройкой резистором R1 и подключением параллельно L1 ёмкости порядка 1-10 nF. Отличается от предыдущего нестабильными по амплитуде выбросами, частота которых перестаёт зависеть от индуктивности L1. Режим отличается огромным воздействием на окружающую радио аппаратуру: может начаться её перезагрузка или отключение, а в динамиках появляется сильный гул. Кроме того, если источник питания генератора цифровой, то показания потребления могут быть сильно занижены или вовсе равняться нулю.
Во втором и третьем режиме, при достаточно короткой по длине провода нагрузки L1 (рис. 2b), очевидно, возникают дополнительные модуляционные колебания в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ). Они основаны на совместном эффекте кристалла транзистора и длинной линии L1.
Внешнее управление
Предлагаемый здесь генератор очень хорошо может управляться внешним устройством. Для этого смещение на него нужно подавать с выхода этого устройства (рис. 1c). Если это устройство также будет являться генератором, то на выходе (на L1 по схеме) можно получить качественные модулированные колебания.
Детали
Для режима генерации очень важно подобрать транзистор VT1. Очень хорошо подходят мощные высоковольтные быстрые переключательные npn-транзисторы, например 2SC2625. Они обеспечивают высокий КПД всего генератора и при мощностях порядка 1Вт их можно не ставить на радиатор. С меньшим КПД работают популярные транзисторы 2SC5200.
Особое внимание нужно обратить на конденсатор C3. Он должен быть обязательно высокочастотным, иначе он может сильно греться и этим сильно понижать КПД всей установки. Здесь хорошо подойдёт трубчатый конденсатор для радиопередатчиков. Остальные конденсаторы могут быть керамическими или плёночными.
Дроссель L2 можно применить стандартный, например такой. Желательно выбирать такой, который имеет более низкое активное сопротивление, значит и меньшие потери.
Монтаж и настройка
Монтаж должен выполняться по таким же правилам, как и для устройств СВЧ: минимальная длина при соединении между элементами схемы и отстутсвие выступающих концов и заусениц. Настройка генератора сводится к установлению напряжения питания при котором достигается нужный режим работы. Также, можно его подстроить резистором R1.
Используемые материалы
  1. Coil for electro-magnets. US512340, 1894г.