Систему, совершающую колебания, называют осциллятором. То есть осцилляторы — это такие системы, в которых периодически повторяется какой-нибудь изменяющийся показатель или несколько показателей. Само же слово «осциллятор» происходит от латинского «oscillo» - качаюсь.
Осцилляторы играют важную роль в физике и технике, ведь практически любая линейная физическая система может быть описана как осциллятор. Примерами простейших осцилляторов могут служить колебательный контур и маятник. Электрические осцилляторы преобразуют постоянный ток в переменный, и создают колебания требуемой частоты с помощью схемы управления.
На примере колебательного контура, состоящего из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C, можно описать базовый процесс функционирования электрического осциллятора. Заряженный конденсатор, сразу после соединения его выводов с катушкой, начинает разряжаться через нее, при этом энергия электрического поля конденсатора постепенно преобразуется в энергию электромагнитного поля катушки.
Когда конденсатор полностью разрядится, вся его энергия перейдет в энергию катушки, после чего заряд продолжить двигаться через катушку, и перезарядит конденсатор в противоположной полярности, чем была вначале.
Далее конденсатор начнет снова разряжаться через катушку, но в обратном направлении и т. д. - каждый период колебаний в контуре процесс будет повторяться, пока колебания не затухнут из-за рассеивания энергии на сопротивлении провода катушки и в диэлектрике конденсатора.
Так или иначе, колебательный контур в данном примере является простейшим осциллятором, так как в нем периодически изменяются следующие показатели: заряд в конденсаторе, разность потенциалов между обкладками конденсатора, напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора, ток через катушку, индукция магнитного поля катушки. При этом имеют место свободные затухающие колебания.
Чтобы колебания осциллятора стали незатухающими, необходимо восполнять рассеиваемую электроэнергию. При этом для поддержания постоянной амплитуды колебаний в контуре нужно контролировать поступающую электроэнергию, чтобы амплитуда не снижалась ниже и не росла выше заданной величины. Для достижения этой цели в схему вводят цепь обратной связи.
Таким образом, осциллятор превращается в схему усилителя с положительной обратной связью, где выходной сигнал частично подается на активный элемент схемы управления, в результате работы которой в контуре поддерживаются незатухающие синусоидальные колебания постоянной амплитуды и частоты. То есть синусоидальные осцилляторы работают за счет притока энергии от активных элементов к пассивным, с поддержанием процесса цепью обратной связи. Колебания имеют слабо изменяющуюся форму.
Осцилляторы бывают:
-
с положительной или отрицательной обратной связью;
-
с синусоидальной, треугольной, пилообразной, прямоугольной формой сигнала; низкой частоты, радиочастоты, высокой частоты и т. д.;
-
RC, LC – осцилляторы, кристаллические осцилляторы (кварц);
-
осцилляторы постоянной, переменной или перестраиваемой частоты.
Осциллятор (генератор) Ройера
Для преобразования постоянного напряжения в импульсы прямоугольной формы, или для получения электромагнитных колебаний с какой-нибудь другой целью, можно применить трансформаторный осциллятор Ройера или генератор Ройера. Данное устройство включает в себя пару биполярных транзисторов VT1 и VT2, пару резисторов R1 и R2, пару конденсаторов C1 и С2, а также насыщающийся магнитопровод с обмотками — трансформатор Т.
Транзисторы работают в ключевом режиме, а насыщающийся магнитопровод позволяет осуществить положительную обратную связь, и, если нужно, гальванически развязать вторичную обмотку от первичной цепи.
В начальный момент времени, при включении питания, небольшие коллекторные токи начинают течь через транзисторы от источника Uп. Один из транзисторов откроется раньше (пусть VT1), и магнитный поток, пересекающий обмотки, станет увеличиваться, а наводимая в обмотках ЭДС будет при этом расти. ЭДС в базовых обмотках 1 и 4 будут таковы, что транзистор начавший открываться первым (VT1) откроется, а транзистор с меньшим начальным током (VT2) – закроется.
Коллекторный ток транзистора VT1 и магнитный поток в магнитопроводе продолжат нарастать до насыщения магнитопровода, и в момент наступления насыщения ЭДС в обмотках обратится в ноль. Ток коллектора VT1 начнет снижаться, магнитный поток — уменьшаться.
Полярность индуцируемых в обмотках ЭДС изменится на противоположную, и поскольку базовые обмотки симметричны, то транзистор VT1 начинает закрываться а VT2 – открываться.
Ток коллектора транзистора VT2 станет нарастать до того момента, пока не прекратится нарастание магнитного потока (теперь в противоположном направлении), и когда ЭДС в обмотках вновь обратится в ноль, ток коллектора VT2 начнет уменьшаться, магнитный поток — убывать, ЭДС сменит полярность. Транзистор VT2 закроется, откроется VT1 и процесс продолжится циклически повторяясь.
Частота осцилляции генератора Ройера связана с параметрами источника питания и с характеристиками магнитопровода в соответствии со следующей формулой:
Uп — напряжение питания; ω - количество витков каждой коллекторной обмотки; S - площадь сечения магнитопровода в кв.см; Bн - индукция насыщения сердечника.
Так как в процессе насыщения магнитопровода ЭДС в обмотках трансформатора будет постоянной, то при наличии вторичной обмотки, при подключенной к ней нагрузке, ЭДС приобретет форму прямоугольных импульсов. Резисторы в базовых цепях транзисторов стабилизируют работу преобразователя, а конденсаторы способствуют улучшению формы выходного напряжения.
Осцилляторы Ройера способны работать на частотах от единиц до сотен килогерц, в зависимости от магнитных свойств сердечника в трансформаторе T.
Сварочные осцилляторы
Для облегчения поджога сварочной дуги и для поддержания ее устойчивости применяют сварочные осцилляторы. Сварочный осциллятор — это генератор повышенного напряжения высокой частоты, предназначенный для работы с обычными источниками переменного или постоянного тока. Он представляет собой искровой генератор затухающих колебаний на базе повышающего НЧ трансформатора с напряжением вторичной обмотки от 2 до 3 кВ.
Кроме трансформатора в схеме имеется разрядник, колебательный контур, обмотки связи и блокировочный конденсатор. Благодаря колебательному контуру, как главной составной части, работает высокочастотный трансформатор.
Высокочастотные колебания проходят через высокочастотный трансформатор и напряжение высокой частоты прикладывается к дуговому промежутку. Блокировочный конденсатор предотвращает шунтирование источника питания дуги. В сварочную цепь также включен дроссель для надежной изоляции обмотки осциллятора от ВЧ токов.
При мощности до 300 Вт, сварочный осциллятор дает импульсы длительностью в несколько десятков микросекунд, чего вполне достаточно для легкого поджога дуги. Ток высокой частоты и высокого напряжения просто накладывается на рабочую сварочную цепь.
Осцилляторы для сварки бывают двух типов:
-
импульсного питания;
-
непрерывного действия.
Осцилляторы-возбудители непрерывного действия работают непрерывно в процессе сварки, возбуждая дугу путем наложения на ее ток вспомогательного тока высокой частоты (от 150 до 250 кГц) и высокого напряжения (от 3000 до 6000 В).
При соблюдении техники безопасности данный ток не причинит вреда сварщику. Дуга под действием высокочастотного тока горит ровно даже при малой величине сварочного тока.
Наиболее эффективны сварочные осцилляторы последовательного включения, поскольку с ними установка высоковольтной защиты для источника не потребуется. Разрядник в процессе работы издает негромкое потрескивание через зазор до 2 мм, который регулируется перед началом работы при помощи специального винта (в это время вилка из розетки выдернута!).
Для сварки переменным током используют осцилляторы импульсного питания, способствующие поджогу дуги во время изменения полярности переменного тока.