Вынужденные колебания, которые мы рассматривали до сих пор, возникают поддействием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях. Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи. Потребовалась бы чрезмерно большая скорость вращения ротора. Колебания высокой частоты получают с помощью других устройств, например с помощью генератора на транзисторе. Он назван так потому, что одной из основных его частей является полупроводниковый прибор — транзистор. Генератор — сложный прибор, и понять принцип его работы нелегко. Автоколебательные системы. Незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения. Но возможны другие способы получения незатухающих колебаний. Пусть в системе, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, имеется источник 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 системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями. Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. Он содержит колебательный контур с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источник энергии и транзистор. Как создать незатухающие колебания в контуре? Известно, что если конденсатор колебательного контура заряжен, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебания заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется, но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного — другой на равные по модулю значения. В результате энергия колебаний уменьшается, так как она согласно формуле (4.1) пропорциональна квадрату заряда одной из пластин конденсатора. Чтобы колебания 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 (рис. 92). Только в этом случае источник подзаряжает 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 (рис. 93). Энергия конденсатора при этом убывает. Следовательно, источник постоянного напряжения, все время подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания. Половину периода энергия поступает в контур, а в следующую половину 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 (или клапана, как его часто называют). При высокой частоте колебаний ключ должен обладать огромным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор. Транзистор, напомним, состоит из трех различных полупроводников: эмиттера, базы и коллектора. Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (это полупроводники р-типа), а база имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник л-типа). Схематическое изображение транзистора показано на рисунке 94. Работа генератора на транзисторе. Упрощенная схема генератора на транзисторе показана на рисунке 95. Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подан положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный. При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, но переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет. Это соответствует разомкнутому ключу на рисунках Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура при колебаниях, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя (рис. 95) пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно. Это соответствует замкнутому ключу на рисунке 92. 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 согласовании с колебаниями напряжения на контуре. Необходима, как говорят, обратная связь. Обратная связь в рассматриваемом генераторе индуктивная. К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью LCB, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура. Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки и тем самым 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 ведет к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор. Частота колебаний в контуре определяется индуктивностью L катушки контура и емкостью С конденсатора согласно формуле Томсона: При малых L и С частота колебаний велика. Обнаружить возникновение колебаний в генераторе (возбуждение генератора) можно с помощью осциллографа, подав на его вертикально отклоняющие пластины напряжение с конденсатора. Генераторы на транзисторах широко применяются во многих радиотехнических устройствах: в радиоприемниках, передающих радио- станциях, усилителях и т.д. Широко применяются они и в современных электронно-вычислительных машинах. Основные элементы автоколебательной системы. На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем (рис. 96): 1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения). 2. Колебательная система, т. е. та часть автоколебательной системы, в которой непосредственно происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур). 3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, — клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана играет транзистор). 4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе это индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база). Примеры других автоколебательных систем. Автоколебания возбуждаются не только в электрических системах, но и в механических. К таким системам относятся обычные 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. Мы ознакомились с наиболее сложным видом колебаний — автоколебаниями. В автоколебательных системах вырабатываются незатухающие колебания самых различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ. Э 1. Что такое автоколебательная система! 2. В чем состоит отличие автоколебаний от вынужденных и свободных колебаний! 3. Опишите свойства р—п-перехода в полупроводниках. 4. Как устроен транзистор! 5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний! 6. Как осуществляется обратная связь