Режими самозбудження автогенератора. Базові схеми режимів самозбудження М'який та жорсткий режими самозбудження автогенератора
М'який режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики iK(uБЕ) з найбільшою крутістю, то режим самозбудження називається м'яким.
Простежимо зміни амплітуди струму першої гармоніки залежно від величини коефіцієнта зворотний зв'язок КОС. Зміна КОС призводить до зміни кута нахилу a прямого зворотного зв'язку (рис.2)
Малюнок 2. М'який режим самозбудження
При КОС = КОС1 стан спокою стійкий і генератор не збуджується, амплітуда коливань дорівнює нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР є граничною (критичною) між стійкістю та нестійкістю стану спокою. При КОС = КОС3 > ККР стан спокою нестійкий, генератор збудиться, і величина Im1 встановиться відповідної точки А. При збільшенні КОС величина першої гармоніки вихідного струму буде плавно зростати і при КОС = КОС4 встановиться в точці Б. При зменшенні КОС амплітуда коливань буде зменшуватися тієї ж кривої та коливання зірвуться при коефіцієнті зворотного зв'язку КОС = КОС2< ККР.
Як висновки можна відзначити такі особливості м'якого режиму самозбудження:
для порушення не потрібно великої величини коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
Ø збудження та зрив коливань відбуваються при тому самому значенні коефіцієнта зворотного зв'язку ККР;
Ø можливе плавне регулювання амплітуди стаціонарних коливань шляхом зміни величини коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
як недолік слід відзначити велике значення постійної складової колекторного струму, що призводить до малого значення ККД.
Жорсткий режим.
Якщо робоча точка знаходиться на ділянці характеристики iK = f (uБЕ) з малою крутістю S< SMAX, то режим самовозбуждения называется жестким.
Малюнок 3. Жорсткий режим самозбудження
Порушення автогенератора відбудеться, коли коефіцієнт зворотний зв'язок перевищить величину КОС3 = КОСКР. Подальше збільшення КОС призводить до невеликого збільшення амплітуди першої гармоніки вихідного (колекторного) струму Im1 шляхи В-Г-Д. Зменшення КОС до КОС1 не призводить до зриву коливань, оскільки точки В і Б є стійкими, а точка А стійка справа. Коливання зриваються у точці А, тобто при КОС< КОС1, так как точка А неустойчива слева.
Таким чином, можна відзначити такі особливості роботи генератора при жорсткому режимі самозбудження:
для самозбудження потрібна велика величина коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
Ø збудження та зрив коливань відбуваються ступінчасто при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку КОС;
Ø амплітуда стаціонарних коливань у великих межах не може змінюватися;
Ø постійна складова колекторного струму менше, ніж у м'якому режимі, отже, значно вище за ККД.
Порівнюючи позитивні та негативні сторони розглянутих режимів самозбудження, приходимо до загального висновку: надійне самозбудження генератора забезпечує м'який режим, а економічну роботу, високий ККД та стабільнішу амплітуду коливань – жорсткий режим.
Прагнення об'єднати ці переваги призвело до ідеї використання автоматичного усунення, коли генератор збуджується при м'якому режимі самозбудження, яке робота відбувається у жорсткому режимі. Сутність автоматичного усунення розглянута нижче.
Автоматичне зміщення.
Сутність режиму полягає в тому, що для забезпечення збудження автогенератора в м'якому режимі вихідне положення робочої точки вибирається на лінійній ділянці прохідної характеристики з максимальною крутизною. Еквівалентний опір контуру вибирається таким, щоб виконували умови самозбудження. У процесі наростання амплітуди коливань режим по постійному струмуавтоматично змінюється і в стаціонарному стані встановлюється режим роботи з відсіканням вихідного струму (струму колектора), тобто автогенератор працює у жорсткому режимі самозбудження на ділянці прохідної характеристики з малою крутістю (рис. 4).
Рисунок 4. Принцип автоматичного усунення автогенератора
Напругу автоматичного усунення отримують зазвичай за рахунок струму бази шляхом включення в ланцюг бази ланцюжка R Б C Б (рис. 5).
Малюнок 5. Схема автоматичного усунення рахунок струму бази
Початкова напруга зміщення забезпечується джерелом напруги Е Б. При зростанні амплітуди коливань збільшується напруга на резисторі R Б, що створюється постійною складовою базового струму I Б0. Результуюча напруга усунення (Е Б - I Б0 R Б) при цьому зменшується, прагнучи ЕБ С Т.
У практичних схемахпочаткова напруга зміщення забезпечується за допомогою базового дільника R Б1, R Б2 (рис. 6).
Малюнок 6. Автоматичне зміщення за допомогою базового дільника
У цій схемі початкова напруга зміщення
Е Б.НАЧ. =Е К - (I Д + I Б0) R Б2
де I Д = Е К / (R Б1 + R Б2) - Струм дільника.
При зростанні амплітуди коливань постійна складова струму бази IБ 0 збільшується і зсув ЕБ зменшується за величиною, досягаючи значення ЕБСТ в режимі, що встановився. Конденсатор СБ запобігає короткому замиканню резистора RБ1 по постійному струму.
Слід зазначити, що введення у схему генератора ланцюга автоматичного усунення може призвести до явища переривчастої генерації. Причиною її виникнення є запізнення напруги автоматичного усунення щодо наростання амплітуди коливань. За великої постійної часу t = RБСБ (рис. 8.41) коливання швидко наростають, а зсув залишається практично незмінним – ЕБ.НАЧ. Далі зсув починає змінюватися і може виявитися меншим від тієї критичної величини, за якої ще виконуються умови стаціонарності, і коливання зірвуться. Після зриву коливань ємність СБ буде повільно розряджатися через RБ і зміщення знову прагнутиме ЕБ.НАЧ. Як тільки крутість стане досить великою, генератор знову збудиться. Далі процеси повторюватимуться. Таким чином, коливання періодично виникатимуть і знову зриватимуться.
Уривчасті коливання, як правило, відносяться до небажаних явищ. Тому дуже важливо розрахунок елементів ланцюга автоматичного зміщення проводити так, щоб унеможливити виникнення переривчастої генерації.
Для виключення переривчастої генерації у схемі (рис. 4) величину CБ вибирають із рівності
Автогенератор з трансформаторним зворотним зв'язком
Розглянемо спрощену схему транзисторного автогенератора гармонійних коливань із трансформаторним зворотним зв'язком (рис. 7).
Малюнок 7. Автогенератор із трансформаторним зворотним зв'язком
Призначення елементів схеми:
Ø транзистор VT p-n-p типувиконує роль підсилювального нелінійного елемента;
Ø коливальний контур LKCKGЕ задає частоту коливань генератора і забезпечує їх гармонійну форму, речовинна провідність GЕ характеризує втрати енергії в самому контурі та у зовнішньому навантаженні, пов'язаному з контуром;
Ø котушка LБ забезпечує позитивну Зворотній зв'язокміж колекторним (вихідним) і базовим (вхідним) ланцюгами, вона індуктивно пов'язана з котушкою контуру LК (коефіцієнт взаємоіндукції М);
Ø джерела живлення ЄБ та ЄК забезпечують необхідну постійну напругу на переходах транзистора для забезпечення активного режимуйого роботи;
Ø конденсатор СР розділяє генератор та його навантаження по постійному струму;
Ø блокувальні конденсатори СБ1 і СБ2 шунтують джерела живлення змінного струму, виключаючи марні втрати енергії на їх внутрішніх опорах.
Залежно від значень постійних напруг живлення, підведених до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта К 0 . з можливі два режими самозбудження: м'який та жорсткий.
У режимі м'якого самозбудження робочу точку А вибирають на лінійній ділянці ВАХ підсилювального елемента (рисунок 9.1,а), що забезпечує початковий режим підсилювального елемента без відсічки вихідного струму. У цих умовах самозбудження виникає від самих незначних змін вхідної напруги, що завжди є в реальних умовах через флуктуацію носіїв заряду.
Спочатку коливання в автогенераторі наростають відносно швидко. Потім через нелінійність ВАХ підсилювального елемента зростання амплітуди коливань уповільнюється, оскільки напруга на його вході потрапляє на ділянки ВАХ з меншою статичною крутістю, а це призводить до зменшення середньої крутості S порівнта коефіцієнта передачі До 0сланцюги зворотного зв'язку.
Рисунок 9.1 – Діаграми, які пояснюють режими самозбудження.
Наростання коливань відбувається до того часу, поки коефіцієнт передачі зменшиться до одиниці. У результаті автогенераторі встановиться стаціонарний режим, якому відповідає певна амплітуда вихідних коливань, причому кут відсічки вихідного струму 0> 90°. Частота цих коливань дуже близька до резонансної частоти коливальної системи. Звернімо увагу: якби підсилювальний елемент мав лінійну вольт-амперну характеристику, наростання амплітуди автоколивань відбувалося б нескінченно, що фізично неможливо. Тому в лінійному ланцюзі отримати стійкі автоколивання із постійною амплітудою неможливо.
Через нелінійність вольт-амперної характеристики форма вихідного струму підсилювального елемента виходить несинусоїдальною. Однак при досить великій добротності (Q = 50 ... 200) коливальної системи перша гармоніка цього струму і, отже, напруга на виході автогенератора є майже гармонійними коливаннями.
9.5 Режим жорсткого самозбудження
При цьому режимі напругу усунення задають таким, щоб при малих амплітудах вхідної напруги струм через підсилювальний елемент не проходив. Тоді незначні коливання, що виникли в контурі, не можуть викликати струм у вихідний ланцюг, і самозбудження автогенератора не настає. Коливання виникають лише за їх досить великий початкової амплітуді, що завжди можна забезпечити. Процес виникнення та наростання коливань при жорсткому режимі самозбудження ілюструється малюнку 9.1, б. Видно, що при малих початкових амплітудах вхідної напруги (крива 1) струм i вих = 0та автоколивання не виникають. Вони виникають тільки при досить великій початковій амплітуді напруги (крива 2) і швидко наростають до значення, що встановилося. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент працює з кутами відсікання вихідного струму.<90°.
Для зручності експлуатації автогенератора доцільніше застосовувати м'який режим самозбудження, тому що в цьому режимі коливання виникають відразу після включення джерела живлення. Однак при жорсткому режимі коливань з кутом відсічення<90° обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режиме автогенератора более выгоден именно режим с малыми углами отсечки выходного тока усилительного элемента.
Повернемося до мал. 9.6 та з'ясуємо поведінку автогенератора при зміні коефіцієнта зворотного зв'язку. При ослабленні зв'язку нахил лінії II зростає, і при якому критичному значенні , що обертає нерівність (9.13) в рівність виникнення коливань неможливо. Лінія зв'язку, відповідна критичної зворотний зв'язок, займає становище ОВ.
Якщо в автогенераторі з індуктивним зворотним зв'язком та коливальною характеристикою, показаною на рис. 9.6, плавно збільшувати М, то починаючи з критичного значення амплітуда стаціонарного коливання плавно зростатиме, як показано на рис. 9.8. Такий режим самозбудження називається м'яким. Зі сказаного слід, що для отримання м'якого режиму необхідно, щоб коливальна характеристика виходила з нульової точки і мала досить великий нахил в області малих амплітуд. Всі ці вимоги виконуються під час використання автоматичного усунення.
При використанні примусового (зовнішнього) усунення коливальна характеристика набуває вигляду, показаного на рис. 9.9. Для виникнення коливань у разі потрібно дуже сильна зворотний зв'язок (лінія , взаємоіндукція ).
Рис. 9,8. Залежність стаціонарної амплітуди від зворотного зв'язку при м'якому режимі
Рис. 9.9. Коливальна характеристика, що відповідає жорсткому режиму
Рис. 9.10. Залежність стаціонарної амплітуди від зворотного зв'язку при жорсткому режимі
Рис. 9.11. До питання про стійкість генерації при жорсткому режимі
Після того, як коливання встановилися, зв'язок можна послабити до значення при якому лінія зв'язку займає положення ВВ. За подальшого ослаблення зв'язку коливання зриваються. Для відновлення коливань М необхідно збільшити значення відповідного лінії зв'язку ОА. Такий режим самозбудження називається
Залежність стаціонарної амплітуди від М при жорсткому режимі показано на рис. 9.10, причому стрілками позначено напрямок зміни М.
Якщо примусове напруження зміщення настільки велике, що коливальна характеристика починається не з нуля (рис. 9.11), то ніяке збільшення зворотного зв'язку не здатне викликати автоколивання. Якщо ж викликати коливання з допомогою зовнішнього впливу, то за досить сильної зворотний зв'язок коливання можуть бути і після припинення впливу. З двох точок перетину ліній I і II точка є стійкою, а точка D - нестійкою (мається на увазі динамічна стійкість, тобто стійкість генерації). Це означає, що при невеликих випадкових відхиленнях амплітуди струму в контурі біля точки С система повертається у вихідний стан, скільки завгодно мале відхилення амплітуди в районі точки D прогресивно зростає і переводить амплітуду або в стійку точку С, або в точку 0 (відповідну статичній стійкості ). Доказ нестійкості точки D аналогічний доказу стійкості точки С, наведеному у попередньому параграфі.
Класифікація генераторів
Генератор— це пристрій, що перетворює енергію джерела постійного струму на енергію електромагнітних коливань з певними параметрами.
Основними параметрами коливань є: амплітуда, частота та форма.
Основною вимогою до генераторів є стійкість його роботи при впливі на нього дестабілізуючих факторів, тобто стабільність параметрів коливань, що генеруються.
Генератори широко застосовують у техніці зв'язку. Вони використовуються для формування тестових сигналів, сигналів синхронізації, службових сигналів, опорних коливань тощо.
Умовне графічне зображення генераторів наведено малюнку 1.
Малюнок 1 - Умовне графічне позначення генераторів: а) гармонійних коливань; б) послідовності прямокутних імпульсів; в) послідовності пилкоподібних імпульсів.
Класифікація генераторів наведено малюнку 2.
Електричнимиє генератори, що безпосередньо перетворюють енергію джерела постійного струму в енергію коливань.
Електромеханічнимиє генератори, в яких частота коливань, що генеруються, задається частотою механічних коливань деяких матеріалів (кварцової пластини).
У генераторах з внутрішнім збудженнямабо з самозбудженнямколивання формуються з допомогою внутрішнього джерела питания.
Малюнок 2 - Класифікація генераторів
У генераторах з зовнішнім збудженнямформування коливань здійснюється з іншого коливання (множення і розподіл частоти), що надходить на його вхід.
Релаксаційні генераториабо мультивібраториформують коливання не гармонійної форми (послідовності прямокутних, трикутних, пилкоподібних, дзвонових і т. д. імпульсів).
Гармонійніабо квазігармонічнігенератори формують коливання гармонійної форми.
У RC-генераторахяк виборчий ланцюг використовуються RC-фільтри.
У LC-генераторахяк виборчий ланцюг використовується паралельний коливальний контур.
У двоточковихLC-генераторахколивальний контур підключається до підсилювального елемента двома точками, а в триточковихLC-автогенератори? трьома точками.
Узагальнена структурна схема гармонійного автогенератора
Побудуємо узагальнену структурну схему гармонійного автогенератора. Оскільки це автогенератор, то він повинен мати внутрішнє джерело живлення (ІП) Для формування гармонійних коливань генератор повинен містити ланцюг, в якому можуть виникнути коливання. Такий ланцюг є коливальний контур, який також виконуватиме функції виборчого ланцюга (ІЦ). Виборчий ланцюг визначає частоту коливань, що генеруються, та їх форму. З погляду виникнення коливань коливального контуру достатньо, але коливальний контур є пасивним ланцюгом, отже має позитивним активним опором Rиц. За наявності цього опору, а також опору навантаження Rн, в яку подаються коливання, що формуються генератором коливання будуть загасаючими. Тому в ланцюг автогенератора необхідно включити елемент, що має негативний активний опір, як відомо, елемент, що володіє негативним активним опором є джерелом змінного струму, а отже є активним (підсилювальним) елементом (УЕ). Опір підсилювального елемента Ruе має повністю компенсувати всі втрати енергії в пасивних ланцюгах генератора та навантаженні. Також до складу автогенератора необхідно включити ланцюг, за допомогою якого частина коливань з виходу генератора надходитиме підсилювальний елемент для компенсації втрат, тобто необхідна ланцюг зворотного зв'язку (ОС). Даний ланцюг також є пасивним і має позитивний активний опір Rос. Таким чином, отримуємо узагальнену структурну схему гармонійного автогенератора (рисунок 3).
Рисунок 3 – Узагальнена структурна схема гармонійного автогенератора
У стаціонарному режимі роботи автогенератора позитивний активний опір пасивних елементів генератора та навантаження має повністю компенсуватися негативним опором підсилювального елемента, тобто.
Rіц+Rос+Rн— Rуе = 0 (1)
Процес порушення коливань в автогенераторі
Розглянемо процес порушення коливань в автогенераторі (рисунок 3). При включенні джерела живлення ланцюгах автогенератора спостерігаються флуктуації струму (флуктуаційний шум). Спектр цього шуму містить складові всіх частотах. З цього спектра за допомогою виборчого кола виділяється складова на частоті генерації fг. Отримане коливання на виході ІЦ надходить ланцюгом зворотного зв'язку в підсилювальний елемент, де здійснюється посилення коливання, яке надходить знову в ІЦ і т. д. Амплітуда коливань зростає до певного моменту, після чого вона стабілізується, а також стабілізуються частота і форма коливань. Під час роботи автогенератора виділяють два режими роботи: перехідний та стаціонарний. Перехідний режимроботи генератора триває з моменту включення генератора до моменту стабілізації параметрів коливань. Стаціонарний режимроботи триває з стабілізації параметрів коливань і до вимкнення генератора (рисунок 4).
Рисунок 4 - Режими роботи автогенератора
Умови самозбудження автогенератора
Щоб визначити умови самозбудження автогенератора, необхідно розглянути його рівняння.
Коефіцієнт передачі автогенератора визначається виразом
Кп=Кус? Кос (2)
де Кп - комплексне значення коефіцієнта передачі автогенератора;
Кус - комплексне значення коефіцієнт посилення підсилювача;
Кос- Комплексне значення коефіцієнта зворотного зв'язку.
Якщо розімкнути ланцюг зворотного зв'язку, то вираз для коефіцієнта посилення матиме вигляд
Кус= Umвих/ Umвх=Кусe jjвус (3)
де Um вх - комплексна амплітуда вхідної напруги підсилювача;
Um вих - комплексна амплітуда вихідної напруги підсилювача;
Кус - модуль коефіцієнта посилення:
j ус - аргумент модуля коефіцієнта посилення.
Модуль коефіцієнта посилення дорівнює
Кус =Umвих/ Umвх (4)
j ус враховує зсув фаз між вхідною та вихідною напругами підсилювача. Як випливає з малюнка 3, підсилювач включає підсилювальний елемент і виборчий ланцюг. Припустимо, що як виборча система використовується паралельний коливальний контур з опором Rрез. Тоді
Umвих= Im 1 ? Rрез (5)
де Im 1? амплітуда першої гармоніки вихідного струму підсилювального елемента
Між Im 1 і Um вх існує взаємозв'язок, що визначається виразом
Im 1 = Sср? Umвх (6)
де Sср - середня крутість вольт-амперної характеристики підсилювального елемента
Підставляючи значення Im 1 з (6) до (5) отримуємо
Umвих= Sср? Umвх? Rрез (7)
Тоді модуль коефіцієнта посилення підсилювача, враховуючи (4) і (7) буде дорівнювати
Кус =Umвих/ Umвх= Sср? Umвх? Rрез/Umвх= Sср? Rрез(8)
Враховуючи, що j ус буде одно
jвус=jуе+ jіц (9)
де j уе - фазовий зсув, що вноситься підсилювальним елементом;
j іц - фазовий зсув, що вноситься виборчим ланцюгом.
Враховуючи вирази (3), (8) та (9) коефіцієнт посилення підсилювача дорівнюватиме
Кус= Sср? Rрезe j (jуе+jіц) (10)
Коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку дорівнює
Кос = Um в х / Um вих = Кос e j jос (11)
де Кос - модуль коефіцієнта передачі ланцюга зворотного зв'язку;
j ос - аргумент модуля коефіцієнта передачі ланцюга зворотного зв'язку.
j ос враховує зсув фаз між вхідною і вихідною напругою ланцюга зворотного зв'язку.
Таким чином, виходячи з виразів (2), (10) та (11), можна записати коефіцієнт передачі автогенератора в стаціонарному режимі (з постійними параметрами) при генеруванні синусоїдальних коливань
Кп=Кус? Кос= Sср? Rрез? Косe j (jуе+jіц+jос)=1 (12)
Вираз (12) є рівнянням автогенератора. Згідно з цим рівнянням коефіцієнт передачі автогенератора в стаціонарному режимі повинен дорівнювати одиниці.
Рівняння автогенератора висловлює умови самозбудження автогенератора.
1. Умова балансу амплітуд
Кп= Sср? Rрез? Кос = 1 (13)
Коефіцієнт передачі по замкнутому кільцю генератора повинен дорівнювати одиниці.Т. е. вся енергія, що витрачається на пасивних елементах генератора і навантаження повинна повністю компенсуватися енергією поповнення підсилювального елемента.
Умова балансу амплітуд визначає стаціонарну амплітуду коливань.
2. Умова балансу фаз
jвус=jуе+ jіц+ jос=0 або k2 p, деk=1, 2, 3, … (14)
Сумарний зсув фаз в замкнутому кільці автогенератора повинен дорівнювати нулю або кратен 2p (360 ° ). Т. е. Енергія поповнення підсилювального елемента повинна подаватися у фазі з вже існуючими коливаннями. Для виконання цієї умови ланцюг зворотного зв'язку автогенератора має бути позитивною. Оскільки в більшості автогенераторів умова балансу фаз виконується лише на одній частоті, то ця умова визначає частоту генерації.
Режими самозбудження автогенератора
Залежно від значень постійних напруг живлення підводяться до електродів підсилювального елемента, і від коефіцієнта Кос можливі два режими самозбудження: м'який і жорсткий.
При м'якому режимі самозбудженнястановище робочої точки (А) задається на лінійній ділянці вольт-амперної характеристики підсилювального елемента (рисунок 5). У цьому випадку забезпечується початковий режим роботи підсилювального елемента без відсікання вихідного струму. При цьому режимі самозбудження виникає навіть за незначних змін вхідної напруги, які завжди спостерігаються через флуктуації носіїв зарядів. Таким чином, коливання на виході підсилювального елемента виникають відразу, навіть за незначних змін вхідної напруги, що є гідністю даного режиму самозбудження. Амплітуда коливань на виході генератора зростає плавно. У стаціонарному режимі підсилювальний елемент може працювати без відсікання або з відсіканням вихідного струму, причому в другому випадку кут відсікання вихідного струму Q (половина тривалості імпульсу вихідного струму) більше 90 °. Відсутність відсікання або великий кут відсічення призводять до зниження коефіцієнта корисної дії (ККД) генератора, що є недоліком цього режиму.
Рисунок 5 - Діаграми, що пояснюють м'який режим самозбудження
При жорсткому режимі самозбудженняположення робочої точки визначається за межами вольт-амперної характеристики підсилювального елемента (рисунок 6). Це призводить до того, що підсилювальний елемент постійно працює в режимі відсічення вихідного струму, внаслідок цього коливання на виході елемента з'являються лише при перевищенні амплітудою напруги вхідної u(t) певного значення U н. При перевищенні цього значення (u(t)?U н) підсилювальний елемент відмикається, і на його виході з'являються коливання. Причому амплітуда цих коливань зростає швидко. Необхідність наявності певної напруги на вході підсилювального елемента для появи коливань на його виході є недоліком жорсткого самозбудження.
В даному режимі самозбудження кут відсічення вихідного струму менше 90 °. Наявність малого кута відсікання збільшує ККД генератора, що є гідністю цього режиму.
Малюнок 6 - Діаграми, що пояснюють жорсткий режим самозбудження
Як видно м'який режим самозбудження має ті переваги, якими не має жорсткий режим, а жорсткий режим має ті переваги, якими не має м'який режим. Тому на практиці в деяких типах генераторів (зокрема в LC-генераторах) використовують обидва режими: при включенні генератора і під час перехідного режиму генератор працює в м'якому режимі самозбудження, а при переході в стаціонарний режим роботи генератор переводиться в жорсткий самозбудження.
Характеристики автогенератора
Коливальна характеристикаявляє собою залежність амплітуди першої гармоніки вихідного струму підсилювального елемента Im 1 від амплітуди вхідної напруги Um вх при незмінному напрузі зміщення U 0 і розімкнутого ланцюга зворотного зв'язку.
Ці характеристики мають нелінійний характер, тому що підсилювальний елемент є нелінійним і залежать від режиму самозбудження генератора. На малюнку 7 а представлена коливальна характеристика генератора в м'якому режимі самозбудження, а на малюнку 7 б? у жорсткому режимі самозбудження.
Малюнок 7 - Коливальні характеристики автогенератора
Лінії зворотного зв'язкує залежність вихідної напруги ланцюга зворотного зв'язку Um вих від амплітуди першої гармоніки вхідного струму Im 1 .
Оскільки вихідна напруга ланцюга зворотного зв'язку є вхідною напругою підсилювального елемента, а вхідний струм ланцюга зворотного зв'язку є вихідним струмом підсилювача, лінії зворотного зв'язку зручніше представити щодо підсилювача як залежність вхідної напруги підсилювального елемента від амплітуди першої гармоніки вихідного струму (рисунок 8).
Рисунок 8 - Лінії зворотного зв'язку
Лінії зворотного зв'язку виражають лінійну залежність, тому що ланцюг зворотного зв'язку є лінійним ланцюгом. Нахил ліній залежить від коефіцієнта зворотного зв'язку Кос. Чим більше Кос, тобто чим сильніший зворотний зв'язок, тим менший кут нахилу щодо осі Um вх, наприклад, на малюнку 8: Кос 1<Кос 2 <Кос 3 .
Визначення стаціонарної амплітуди коливань
З пункту 1.6 випливає, що в автогенераторі одночасно існують лінійна (лінії зворотного зв'язку) та нелінійна (коливальна характеристика) залежності. У стаціонарному режимі роботи автогенератора амплітуда напруги Um вх і відповідна йому амплітуда струму Im 1 підсилювального елемента повинні задовольняти одночасно цим двом залежностям. Це можливе лише в точках перетину коливальної характеристики з лінією зворотного зв'язку. Розглянемо процес визначення стаціонарної амплітуди коливань у різних режимах самозбудження.
М'який режим самозбудження.
Для аналізу процесів, що відбуваються в автогенераторі, побудуємо обидві його характеристики в одній осі координат і в одному масштабі (рисунок 9).
На малюнку представлені дві лінії зворотного зв'язку за різних коефіцієнтів зворотного зв'язку Кос 1 і Кос 2 причому Кос 1<Кос 2 . При Кос 1 колебания отсутствуют, т. к. колебательная характеристика и линия обратной связи имеют одну общую точку 0, а значит Um вх =0 и Im 1 =0. При Кос 2 колебательная характеристика и линия обратной связи имеет две общие точки 0 и В. Поскольку, как отмечалось выше, в точке 0 колебания не возможны, то устойчивые колебания возможны только в точке В при напряжении равном Um вхВ и соответствующем ему током Im 1В. Точка В является точкою сталої рівновагита відповідає стаціонарному режиму роботи генератора. У точці стійкої рівноваги спостерігається баланс енергії поповнення підсилювального елемента та енергії втрат. До цієї точки генератор приходить у процесі самозбудження. В результаті впливу на генератор різних дестабілізуючих факторів він може вийти зі стану стійкої рівноваги, але амплітуда коливань буде прагнути повернутися до точки стійкої рівноваги. Розглянемо процеси, які у автогенераторі у разі.
Припустимо, що напруга на вході підсилювального елемента зменшилася значення Um вхС. Ця напруга викликає у вихідному ланцюзі генератора струм Im 1 C . Цей струм завдяки зворотному зв'язку збільшить напругу на вході елемента до Um вх D , а це, своєю чергою, призведе до збільшення струму до Im 1 D . Цей струм призведе до збільшення напруги і т. д. Це буде відбуватися до тих пір, поки амплітуда коливань не досягне значень точки В. Якщо ж амплітуда коливань, під впливом факторів, що дестабілізують, збільшиться до значення Um вхЕ, то відбудеться зворотний процес, т.е. е. викликаний цією напругою струм Im 1 E завдяки зворотному зв'язку, приведе до зменшення напруги Um вх і т. д., доки амплітуда коливань знову не повернеться до значення точки В.
Жорсткий режим самозбудження.
В даному режимі коливальна характеристика та лінія зворотного зв'язку має три загальні точки 0, А та (рисунок 10).
Рисунок 10 Визначення стаціонарної амплітуди коливань у жорсткому режимі
У точці 0 вагання існувати не можуть. Проаналізуємо точку А. Зменшення амплітуди коливань на вході підсилювального елемента до Um вхС, викличе струм у вихідний ланцюга Im 1С, який у свою чергу призведе до зменшення напруги Um вх, ця напруга призведе до зменшення струму Im 1 і т.д. , Доки коливання не згаснуть. Якщо напруга на вході підсилювального елемента збільшиться до значення Um вх D то амплітуда коливань збільшуватиметься до значення точки В. Таким чином, точка А є точкою нестійкої рівноваги, у цій точці можуть існувати коливання, але за зміни їх амплітуди вони або згасають або їх амплітуда збільшується. Якщо провести аналіз точки, то вона виявиться точкою стійкого рівноваги.
Автогенератор може працювати в м'якому або жорсткому режимі самозбудження. Для розкриття особливостей цих режимів самозбудження зручно спільно розглядати амплітудну характеристику підсилювача з ланцюгом ООС (власне підсилювач), який завжди має нелінійність, і амплітудну характеристику петлі позитивної ОС, яка є лінійною (ланцюг зворотного зв'язку є лінійним чотириполюсником).
На рис. 3.2, апредставлена типова амплітудна характеристика нелінійного підсилювача.
При малих вхідних сигналах вихідний сигнал змінюється пропорційно до вхідного (підсилювач має постійний коефіцієнт підсилення, рівний тангенсу кута нахилу АХ до осі абсцис), при великих вхідних сигналах зазначена пропорційність порушується (коефіцієнт посилення підсилювача залежить від амплітуди вхідного сигналу). Лінія зворотного зв'язку є прямою, проведеною під кутом 
до осі абсцис, оскільки між вихідною напругою та напругою ОС спостерігається лінійна залежність .
У момент включення живлення автогенератора на вході підсилювача діє шум, що має широкий спектр частотних складових, у тому числі складову частота якої відповідає резонансній частоті виборчої системи. Слід зазначити, що спектральні складові шуму будуть придушені тією чи іншою мірою виборчою системою. На виході підсилювача після посилення в Дораз з'явиться вихідний сигнал, який після ослаблення ланцюгом ПІС у раз надходить на вхід підсилювача у вигляді напруги. Процес буде протікати до того часу, поки амплітуда вихідного коливання досягне стаціонарного значення (буде виконано умова балансу амплітуд).
З рис. 3.2, авидно:
крапка Ає точкою сталої рівноваги;
генерація можлива лише за таких умов, коли лінія зворотний зв'язок перетинає амплітудну характеристику підсилювача, що відповідає виконанню умови .
Розглянутий вище режим самозбудження автогенератора називається м'яким.Для забезпечення цього необхідно, щоб АХ підсилювача виходила з нуля і мала б на початку координат лінійну ділянку з достатнім кутом нахилу до осі абсцис.
М'який режим самозбудження генератора характеризується такими особливостями:
§ АХ підсилювача і прямий зворотний зв'язок перетинаються тільки в одній точці, яка є точкою динамічної рівноваги;
§ коливання, якщо змінювати коефіцієнт ПІС β , виникають (припиняються) при тому самому коефіцієнті ПОС ;
§ при збудженні автогенератора не потрібно зовнішніх впливів;
§ при м'якому режимі самозбудження генератора існує можливість встановлення заданої амплітуди коливань шляхом підбору коефіцієнта ПОС.
Разом про те слід зазначити, що м'який режим роботи автогенератора економічно невигідний, оскільки автогенератор працює у лінійному режимі та її к.п.д. не перевищує 50%.
Незважаючи на зазначений недолік, м'який режим самозбудження є основним режимом автогенераторів.
Процес порушення коливань відбувається інакше, якщо підсилювач має S- Образну АХ (рис.3.2, б). При встановленні коефіцієнта ПІС β < β 2 АХ підсилювача та лінія ПОС не має точок перетину. Це означає, що коефіцієнт ПІС малий, і автогенератор не збуджується.
При встановленні коефіцієнта ПІС β 1 < β < β 2 АХ підсилювача та лінія ПІС має дві точки перетину Аі З. Це означає, що умова балансу амплітуд виконується для двох значень амплітуди коливань автогенератора.
Крапка Зхарактеризує нестійкий стан автогенератора. Нехай у певний момент часу амплітуда на виході генератора відповідає точці З, при цьому коефіцієнт посилення власне підсилювача дорівнює ДоС. Припустимо, що під впливом зовнішнього чинника амплітуда коливань зменшилася. Це призведе до зменшення сигналу на вході генератора, оскільки UВХ = β·UВИХ, і викличе подальше зменшення амплітуди вихідних коливань, оскільки коефіцієнт посилення підсилювача Доменше ніж ДоЗ . Результатом зовнішнього впливу у цьому випадку буде зрив коливань. Навпаки, якщо під впливом зовнішнього чинника амплітуда коливань збільшиться, то зросте сигнал на вході. Це викличе подальше збільшення амплітуди вихідних коливань, яке відбуватиметься доти, доки система не перейде в стаціонарний стан .
Крапка Ахарактеризує стійкий (стаціонарний) стан автогенератора, при цьому коефіцієнт посилення власне підсилювача дорівнює К А. Припустимо, що під дією зовнішнього фактора амплітуда коливань, що відповідає точці А, зменшилась. Це призведе до зменшення сигналу на вході генератора, оскільки UВХ = β UВИХІД. Однак, оскільки коефіцієнт посилення підсилювача Доу цьому випадку більше ДоА вхідний сигнал отримає більше посилення і амплітуда вихідного сигналу зросте і знову буде відповідати точці А.
Очевидно, що для запуску автогенератора амплітуда збудливого впливу має перевищити значення амплітуди вхідного сигналу, що відповідає точці З. Розглянутий режим збудження автогенератора називається жорстким.
У разі, якщо встановити коефіцієнт ПІС β = β 2 , то автогенератор працює так само, як і в м'якому режимі, при цьому існує точка стійкої рівноваги.
Розглянемо, як змінюється амплітуда коливань, якщо змінюється коефіцієнт ПІБ, а зовнішні впливу відсутні.
Відповідно до розглянутого вище, запуску генератора не відбудеться, якщо β < β 2 (лінія ПІС β проходить ліворуч за лінію β 2). Запуску генератора не відбудеться і у випадку, якщо β 1 < β < β 2 (лінія ПІС β проходить між лініями β 1і β 2), оскільки зовнішній електричний поштовх відсутній. Генератор порушиться лише у випадку β = β 1, при цьому встановиться стаціонарна амплітуда коливань Якщо після запуску генератора далі зменшувати коефіцієнт ПІС β в межах β 1 < β < β 2 , то зриву коливань не відбудеться, буде лише зменшуватись амплітуда коливань . Зрив коливань відбудеться у випадку, коли β = β 2 . Для відновлення коливань необхідно знову встановити коефіцієнт ПІС β = β 1 .
Таким чином, жорсткий режим самозбудження генератора характеризується такими особливостями:
§ крива коефіцієнта посилення підсилювача має точку перегину і перетинається з прямої ПІС в одній або двох точках;
§ існує два значення критичного коефіцієнта ПІС ( β 1 і β 2), що відповідають запуску та зриву коливань автогенератора;
§ амплітуда коливань навіть для критичної ПІС запуску β 1 не може бути близька до нуля;
§ існує можливість запуску генератора при β 1 < β < β 2 за рахунок початкового зовнішнього поштовху.
Жорсткий режим автогенератора економічніший (автогенератор має вищий к.п.д.), ніж м'який режим, оскільки підсилювач працює у нелінійному режимі. При жорсткому режимі неможливо отримати коливання малої амплітуди, а запуск генератора має певні складності. Жорсткий режим самозбудження автогенераторів застосовується рідко.
