Нередко в изобретаемом нами электронном устройстве требуется "генератор синусоиды" - он же гармонический осциллятор. Для радиопередатчика или приёмника, музыкального или измерительного инструмента и т.п. И порой хочется иметь удобную настройку частоты.
Схем генераторов существует немало - сейчас мы их вкратце посмотрим - но одни не очень удобно варьировать по частоте - другие не очень удобно налаживать при разработке.
Поэтому мы обсудим альтернативу - с использованием "отрицательного сопротивления" - подключая к нему LC-контур прямо в том виде в каком он нарисован в учебнике, мы сразу получаем рабочий осциллятор и с широчайшим диапазоном по частоте!
Мы проверим эту идею на практике! Подключим LC-контур к двум типам схем с отрицательным сопротивлением - сперва к "лямбда-диоду" (на транзисторах), а потом к "транзитрону" (на электронной трехсеточной лампе - пентоде).
Теоретические пояснения к данной статье вынесены в отдельную заметку "О типах отрицательных сопротивлений" - а то слишком громоздко получалось. Обе написаны так чтобы их комфортно было читать и по отдельности.
Гармонические и релаксационные генераторы
Генераторы периодических сигналов делятся на два этих класса - гармонические генерируют красивую синусоиду, а релаксационные наоборот переключаются резкими рывками. Как пример, вот три сигнала:
Первый сигнал - гармонический, такой хорошо использовать в качестве несущей частоты при радиопередаче. Второй и третий - типичны для релаксационных генераторов. Например генератор на популярной микросхеме NE555 будет иметь прямоугольный сигнал на выходе - а "почти треугольный" на времязадающем конденсаторе.
Математически между ними есть родство - Бальтазар Ван дер Пол в 1926 году расписал в небольшой и любопытной статье On Relaxational Oscillations как от соотношения параметров генератора в теории получается тот или иной сигнал. Однако на практике получить генератор релаксационный оказывается проще чем гармонический - одна из простейших схем содержит лишь три элемента - резистор, конденсатор и неонку (либо другой девайс с похожей характеристикой "лавинной" проводимости).
Итак, схем релаксационных генераторов - множество. Схем гармонических тоже немало, но всё-таки, кажется, поменьше. Мы хотим рассмотреть детально одну из них, но сперва пробежимся по другим, чтобы пояснить почему они не всегда удобны в реализации.
Обзор гармонических осцилляторов
Многие генераторы "синуса" построены вокруг схемы LC-контура, которую мы знаем со школы - параллельно соединены катушка индуктивности и конденсатор - когда конденсатор разряжается, он разгоняет ток в катушке, а тот в свою очередь не может мгновенно остановиться (из-за индуктивности) и перезаряжет конденсатор в обратном направлении. Потом процесс повторяется - получаются колебания, притом гармонические, в виде красивой синусоиды.
В реальных компонентах будут потери, поэтому синусоида будет затухать. Даже если бы не было потерь, но мы пытались бы "отобрать" часть сигнала чтобы его усилить и использовать в своих целях - энергия из контура будет теряться. Выглядит это так:
Как сделать из контура генератор? Нужно восполнять потерю энергии.
Популярный подход заключается в том чтобы подключить контур к усилительному элементу (например, транзистору) и завести обратную связь - т.е. чтобы транзистор реагировал на колебания в контуре - и в нужной фазе "подбрасывал энергии" в него.
Базовый способ такой обратной связи предлагается во всевозможных теоретических пособиях и учебниках физики - намотаем на индуктивность дополнительную обмотку (желательно небольшую) - и её заведем на вход усилительного элемента. Вот типичная картинка:
Похожая схема была популярна 100 лет назад в регенеративных радиоприёмниках. При перестройке частоты нужно менять и коэффициент усиления (обратной связи) - в общем, вместе с более сложной катушкой (фактически, трансформатором) - вариант не самый тривиальный.
Есть популярные схемы Хартли и Колпитца - этакое преобразование друг из друга:
Колебательным контуром в них является нижняя часть. В верхней могут быть вариации - но суть такова - у Хартли нужны две катушки или одна катушка с отводом - а у Колпитца наоборот два конденсатора.
Вариант Хартли, например, часто встречается в качестве гетеродина в радиоприёмниках - ведь его частота меняется одним переменным конденсатором.
Вариант Колпитца удобен там где меняется индуктивность - например в схеме металлоискателя и т.п.
Эти схемы легче воплощать - хотя при наладке встаёт вопрос выбора номинала компонентов (помимо контура). Ну и если мы собрались настраивать частоту конденсатором нам всё же потребуется катушка с отводом.
Можно и без LC-контура
Есть ещё любопытная схема для синусоиды, вообще не содержащая индуктивность - 3-каскадный RC-фильтр, задерживающий сигнал по фазе - и транзистор который усиливает сигнал потраченный в фильтрах. В простейшем варианте выглядит так - и часто используется для генерации колебаний достаточно медленных (где потребовалась бы здоровая индуктивность) - например в популярном некогда муз.инструменте стилофон на нём выполнен генератор "вибратто".
Этот генератор хорош тем что для изменения частоты можно использовать резисторы, а не переменную ёмкость или индуктивность. К сожалению менять желательно сразу несколько резисторов - и это не так легко, особенно если нужен широкий диапазон.
Псевдогармонический на диодах
Синусоидальный сигнал можно превратить в прямоугольный, например, пропустив его через компаратор. А можно ли сделать наоборот - из негармонического сигнала получить синус?
Такой способ используется в лабораторных генераторах - если пропустить треугольный сигнал подходящей амплитуды через стойку из резистора со встречно-параллельными диодами, то диоды за счет нелинейного участка своей ВАХ превратят его во что-то очень напоминающее синус!
Здесь диоды и напряжения не идеально подогнаны так что даже невооружённым глазом можно заметить что синус как будто чуточку "ненастоящий". Однако в реальных схемах используется чуть более сложная комбинация из диодов и результат выглядит идеально.
Однако, сделать генератор треугольника да ещё горстку (штук 8 в идеале) диодов добавить - это снова получается схема не очень-то простая.
LC-контур с отрицательным сопротивлением
Многие статьи объясняют эту идею на "интуитивном уровне" - поскольку обычное "положительное" сопротивление (в частности в катушке) потребляет энергию (выделяя её в тепло) - то нужно добавить некое "отрицательное" сопротивление, которое будет наоборот добавлять энергию в контур.
На самом деле всё не так интуитивно - у батарейки тоже отрицательное сопротивление - но получить незатухающие колебания она не поможет. Это похоже на то как постоянный поток ветра не способен раскачивать маятник (хотя может держать его в отклонённом состоянии).
Требуется "отрицательное дифференциальное сопротивление" - да ещё и определённого типа. Во вспомогательной статье мы погрузимся в подробности, а пока что ограничимся изображением нужной нам вольт-амперной характеристики для такого девайса.
Как видим на картинке, ток сначала растёт при повышении напряжения (как это происходит у нормальных резисторов) - а потом начинает волшебно уменьшаться! То есть при повышении напряжения от 0.2 В до 0.4 В на туннельном диоде ток через него уменьшается в разы. При дальнейшем увеличении, впрочем, нормальный рост характеристики восстанавливается.
Возвращаясь к схеме выше мы можем задаться вопросом - почему эта штука, будучи включена последовательно с контуром, помогает колебаниям не гаснуть?
Это мы тоже разберем подробно во второй статье - а пока ограничимся таким "описанием на пальцах".
Представим что конденсатор не заряжен и напряжение на нём и на контуре равно нулю - а на диоде - такое же как на батарейке, 0.3 Вольта - средняя точка на графике.
Ток, частично идя через конденсатор, начинает его заряжать. Напряжение на конденсаторе (и контуре) растёт - а на диоде, следовательно, падает. Если бы вместо диода был простой резистор, это вызвало бы пропорциональное падение тока на резисторе. Но у диода-то наоборот - ток растёт при падении напряжения! Получается, конденсатор "душит" диод по напряжению - а тот "альтруистично" выдаёт всё больше и больше тока для зарядки конденсатора.
Если бы на характеристике не было максимума и минимума, этот процесс ушёл бы в бесконечность. А так получается что напряжение на диоде колеблется в пределах этого участка с "отрицательным наклоном" и "поддаёт" тока конденсатору как раз тогда когда тот хочет зарядиться (и уменьшает ток, когда конденсатор хочет разрядиться).
Здесь мы говорили про туннельный диод - но с ним есть пара проблем - во-первых они не очень популярны - поэтому номенклатура их невелика и не всегда в любом магазине они найдутся в наличии. Во-вторых "рабочий" диапазон по напряжениям у них очень маленький - вот буквально такой как показано выше. Конечно можно усилить выходной сигнал, но это не всегда удобно.
Тем не менее это, конечно, вполне рабочий вариант - и простейший гармонический осциллятор (буквально на 3 компонентах).
Однако удобство этого способа в том что можно взять LC-контур "как есть" и подключить к "отрицательному сопротивлению" с совершенно другими параметрами. Лишь бы оно было настроено на "рабочую точку" в пределах "спадающего" диапазона характеристики.
В качестве практического примера испытаем сперва вариант с использованием "лямбда-диода" (не ищите его в магазинах).
Лямбда-диод
Под этим названием скрывается небольшая схема из пары транзисторов - у схемы 2 вывода, как и у диода - и она имеет характеристику похожую на ту что у туннельного диода - только после "ямы" она не уходит снова вверх - поэтому выглядит как буква Л или греческая прописная "лямбда" - отсюда и название.
Поясним это картинкой - подадим плавно нарастающее "пилообразное" напряжение на такую конструкцию:
Как видите, сначала ток (синий график) растёт, но где-то около 3 В достигает пика и дальше падает до нуля. Очевидно такое устройство вполне подойдёт для нашей схемы, но рабочую точку можно выбрать где-то около 5-6 Вольт (середина спадающего участка).
Из чего же "лямбда-диод" сделан? Как на картинке выше, в простейшем случае это два полевых транзистора с P-N переходом - по-английски они называются JFET-ами (junction field-effect transistor).
Такие полевики сейчас встречаются нечасто, уступив место "мосфетам" (подкласс транзисторов с изолированным затвором) - поэтому вкратце напомним их принцип работы.
Полевой транзистор с управляющим P-N переходом в отсутствие управляющего сигнала проводит ток. Управляющий сигнал позволяет призакрыть его (или совсем запереть).
В случае транзистора с N-каналом (верхний по схеме) управляющий сигнал должен иметь потенциал ниже чем на истоке (и тем более на стоке). Для транзистора с P-каналом (нижний) наоборот "запирающий" потенциал на затворе должен быть выше чем на истоке и стоке.
И вот когда они включены таким образом как показано на картинке, получается интересная ситуация - запирающее напряжение верхнего транзистора равно падению (на участке исток-сток) нижнего. А запирающее напряжение нижнего равно падению на верхнем.
Получается симметричная схема - пока транзисторы включены под небольшое общее напряжение (1-2 Вольта) - запирающий эффект почти не сказывается и они пропускают ток примерно так как это делают резисторы.
С ростом напряжения падение на каждом из них возрастает - и они начинают запирать друг друга! В данном случае им заданы параметры когда "полное закрытие" наступает при 4 В (ниже или выше истока) - поэтому когда суммарное напряжение достигает 8 В, оба транзистора оказываются надёжно заперты.
Схема очень простая - вместо трёх компонент (как в случае туннельного диода) понадобилось четыре. Но есть нюанс - как было упомянуто, JFET-ы хотя и не так редки как туннельные диоды, но часто вы обнаружите что найти комплементарную пару затруднительно - причём N-канальных явно больше чем P-канальных.
Поэтому интересно рассмотреть вариант в котором P-канальный транзистор заменён биполярным PNP, с двумя резисторами.
Он же, но с биполярным транзистором
У такой схемы есть и "бонусные" особенности:
напряжение для рабочей точки нужно меньше (например, не 6 Вольт а только 3) - что приятно при работе с "ТТЛ-уровнями" например
вообще параметры рабочего диапазона (и напряжение и крутизну) можно менять выбором упомянутых резисторов.
Далее мы перейдём к практической постройке и настройке именно этой схемы, но рассказ наш был бы неполным если б мы не задались вопросом - можно ли вообще использовать только два биполярных транзистора, чтобы не искать полевики?
Нашлась любопытная схема в статье (также существующей в переводе на Хабре) - тут не только именно два биполярных, но и оба они одной структуры - с поиском транзисторов проблема исключена.
Принцип работы можно проследить - при небольших напряжениях открыт и проводит ток правый транзистор - но с повышением напряжения потихоньку открывается левый и при этом быстро запирает правый. Вот и получается NDR-участок там где левый уже заткнул правого но сам ещё не открылся на полную.
Достоинством этой схемы является широкая возможность настройки - но и определенный недостаток связан с этим же - настройка связана не только с деликатным выбором соотношений резисторов, но и с коэффициентами усиления транзюков (недаром автор статьи пишет что "с этими у меня получилось лучше чем с теми").
Мы этой схемой увлекаться не будем - но если хотите поэкспериментировать, вот ссылка на неё в симуляторе falstad - попробуйте, например, снизить максимальный ток (раз в 10) сохранив приблизительно тот же вид характеристики.
Настраиваем Лямбда-Диод
Как сказано выше, схему генератора на "отрицательном сопротивлении" мы используем ради удобства настройки при конструировании. Фактически нам нужно настроить только само "отрицательное сопротивление" - если его параметры не варьируются (например, это туннельный диод) - то мы настраиваем только питающее напряжение, чтобы попасть в участок с отрицательным наклоном. Если есть возможность влиять на параметры - мы можем подогнать характеристики схемы под удобное нам напряжение.
В любом случае эта настройка происходит "в статическом режиме", без LC-контура, колебаний и т.п. Достаточно вольтметра чтобы определить границы "рабочего диапазона". После этого добавляем LC-контур - и почти при любых его параметрах схема просто работает.
Почему "почти"? Потому что сопротивление катушки (положительное) добавляясь к нашему "отрицательному" немного "спрямляет" рабочий участок. Если сопротивление достаточно большое (низкая добротность) - то оно "перешибёт" эффект отрицательного сопротивления. Есть и ещё тонкие нюансы, о них скажем дополнительно.
Давайте посмотрим на это на практике.
В качестве полевого транзистора я выбрал отечественный КП303Е. Ну как сказать "выбрал" - в ближайшем магазине выбор был небольшой :) У него 4 ноги - ту которая "корпус" я просто отогнул и не использовал.
PNP-транзистором к нему в пару назначен КТ361Г - из советских эта серия возможно самая популярная, так что они просто были под рукой. Резисторы для начала взял по 100 кОм - как оказалось, угадал неплохо.
Но чтобы проверить "лямбдовость" характеристики - нам нужен регулятор напряжения!
Тут два варианта - можно использовать стандартный регулятор типа LM317 (он похож на привычные 78L05 только выходное напряжение 1.2 Вольта вместо 5, поэтому диапазон регулировки шире). Либо использовать обычный транзистор включённый как эмиттерный повторитель. В обоих случаях регулировка осуществляется переменным резистором:
Как меняется напряжение вы будете понимать, в принципе, по положению движка переменного резистора. Но полезно его измерять (между стоком полевого транзистора и коллектором биполярного).
Ток можно оценивать либо включив последовательно светодиод, либо миллиамперметр, либо резистор на 1к и мерить напряжение на нём (оно будет равно току в миллиамперах).
Со светодиодом, конечно, нагляднее. При правильно собранной схеме он разгорается по мере вращения переменного резистора - а дальше плавно же потухает.
Нас интересует именно участок "спада яркости" светодиода - нужно выбрать точку где-то посредине. После этого можно зафиксировать отношение плеч переменного резистора и заменить его подходящей парой постоянных.
Пример сборки на макетной плате
Сначала составим из двух транзисторов и двух резисторов сам лямбда-диод
Теперь добавим питание (я использую вариант с транзистором C945) и светодиод. Переменный резистор, как видим, аж на 200 килоОм.
Подключим батарейку и начнем крутить переменный резистор. Логично сначала выставить его в крайнее положение так чтобы на схему подавался 0 Вольт - в данном случае это "вправо до упора". При некотором положении находим пик свечения светодиода.
В моём случае характеристика примерно такая:
пик тока достигается при напряжении около 2.5 Вольт и составляет около 0.3 мА (так что светодиод не очень ярок)
спад тока до значения уже плохо отличимого от 0 происходит при напряжении около 4 Вольт
Таким образом рабочую точку мы ожидаем найти около 3.2 Вольт.
Есть даже более эффектный способ. Можно вместо светодиода сразу вставить LC-контур и определять пик колебаний либо осциллографом, либо добавив пьезо-пищалку (например, параллельно контуру - у неё ведь тоже свойства как у конденсатора, только ёмкость небольшая (ну и энергию она конечно растрачивает).
Попробуем сначала с пищалкой - она действительно пищит, в небольшом диапазоне около точки в 3.2 Вольта. Очевидно пищалка и сопротивление индуктивности сильно ухудшают добротность поэтому получающийся диапазон напряжений на слух кажется короче чем от 2.5 до 4 Вольт.
Параметры моего LC-контура:
индуктивность 10 мГн (и сопротивлением около 10 Ом)
ёмкость 100 нФ
расчетная частота - около 5 кГц (если бы не попали в звуковую частоту, пищалка не имела бы смысла)
Для контроля воспользуемся ещё и осциллографом. Он к тому же позволяет обнаружить (с пищалкой и без) насколько пищалка растрачивает энергию контура. Кроме того мы сможем поточнее проверить получившуюся частоту.
Что же видим - на развёртке 50 мкс / деление период сигнала занимает чуть больше 4 делений - значит частота действительно около 5 кГц (точность измерения аналоговым осциллографом легко составляет до 10%).
Амплитуда около 0.8 Вольта (то есть размах около 1.5) - это согласуется с нашими представлениями о ширине рабочего диапазона.
То же, но с Транзитроном
Как было сказано, удобство генератора такого типа в том, что LC-контур можно взять "как есть" и перенести в другую схему с отрицательным сопротивлением - причём сама схема может кардинально отличаться - но вместе с контуром работать будет как и раньше.
В качестве "кардинально отличной" схемы мы возьмём Транзитрон - ламповую схему на пентоде, предложенную в 1937-39 годах К.Брунетти (статья на IEEE) - его я упоминал поверхностно в своей предшествующей заметке. Согласитесь - интересно убедиться что генератор работает с транзисторами от напряжения в 3 Вольта - и с лампой, анодное питание которой около 300 Вольт.
На картинке я напомню схему собственно "транзитрона" как её приводит автор - и рядом "реальное" воплощение. На первый взгляд кажется - а чего это она так "ощетинилась" конденсаторами?
Если вы посмотрите, у автора используются три отдельных источника напряжения. Это "теоретическая" версия схемы и на практике так делать никто не захочет. Он сам переходя к практическому варианту заменяет E32 буферным конденсатором и подтяжкой 3й сетки к нулю (уровню катода) - это повторено и в моей "реальной" схеме.
По аналогии мы также поступаем с питанием анода и второй сетки - подтягиваем их резисторами (но уже к плюсу питания) - а чтобы напряжение на них не колебалось, ставим буферные конденсаторы - их ёмкость должна быть больше характерной ёмкости колебательного контура, где-нибудь на порядок.
Разрыв a-b между второй сеткой и её питанием - это и есть участок куда нужно вставлять наш LC-контур. Строго говоря, так как мы рассматриваем здесь питание внутри самой схемы транзитрона, то у него в этом разрыве даже абсолютное сопротивление будет отрицательным, не только дифференциальное. Конечно, контуру это не помешает (как и в случае с инвертирующим конвертором импеданса в нашей "теоретической" статье).
Прежде чем добавлять в схему LC-контур, я её настраиваю, проверяя ожидаемые напряжения (автор утверждает что анодное напряжение должно быть значительно ниже чем на экранирующей (второй) сетке. При выбранных резисторах получилось около 20 Вольт на аноде и около 110 Вольт на второй сетке. На время этого измерения "разрыв" нужно закоротить.
Настало время подключить LC-контур. Тут вышла маленькая промашка - я-то хотел подключить его с теми же номиналами какие использовались в варианте с лямбда-диодом - но т.к. все буферные конденсаторы здесь на 0.1 мкФ (более ёмкие были бы крупнее и это уже неудобно было монтажить) - то придётся в контуре взять конденсатор поменьше, я выбрал 10нФ. Впрочем уменьшение ёмкости в 10 раз влечет уменьшение частоты всего в 3 раза, так что это не слишком большое изменение.
Результат включения можно видеть на картинке - работает по принципу "plug and play", если можно так выразиться. Осциллограмма снимается со второй (или опционально третьей) сетки - которая и является собственно выходом Транзитрона.
Как видим, период колебаний - 3.5 делений по 20 микросекунд - то есть 70 мкс, что соответствует частоте около 14 кГц (поэтому с пищалкой проверять не стал) - это хорошо соответствует частоте, ожидаемой от контура с данными параметрами (10 мГн, 10 нФ).
Амплитуда колебаний всего около 6 Вольт.
Заключение
За мной остаётся на будущее обещанная статья с подробным разбором работы транзитрона.
Кроме того, вскользь было упомянуто что между параметрами компонент контура всё-таки должны быть некоторые закономерности. Пример почему это важно есть в нашей теоретической статье - но подробное описание также тянет на отдельную заметку (может дойдут руки и до неё).
Могу честно признаться что вот эта статья - про LC-контур с отрицательным сопротивлением - родилась собственно по ходу разбирательств с транзитроном, чтобы лучше уяснить сам принцип действия подобных осцилляторов.
Поскольку она получилась несколько более общей, надеюсь она может пригодиться не только энтузиастам ламповой схемотехники.
До скорого!
Примечание
Попросили упомянуть наравне с туннельным диодом и другого замечательного зверя - однопереходной транзистор. В частности в упомянутом выше стилофоне он используется в генераторе тона. Но поскольку у него три ноги, многим затруднительно запомнить как именно в нём устраивается участок с отрицательным сопротивлением. Кроме того отечественная промышленность КТ117 вроде больше не производит - несколько штук которые я купил из старых оказались нерабочими. Взял для сравнения современные импортные (2n6027 по-моему) - с ними всё в порядке. Есть ещё вариант замены однопереходного транзистора парой биполярных - правда м.б. не совсем равноценный. Возможно это можно осветить в небольшой отдельной статье.
