Номер 5, страница 104 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?

5. Какова роль транзистора в генерации автоколебаний?

Автоколебания – это незатухающие колебания, которые система поддерживает самостоятельно за счет энергии от внешнего источника, не обладающего колебательными свойствами. Устройство, предназначенное для генерации таких колебаний, называется автогенератором. Любой автогенератор включает в себя три основных компонента:

• Колебательную систему (например, LC-контур), которая определяет частоту генерируемых колебаний.
• Источник энергии (например, источник постоянного напряжения), который обеспечивает систему энергией.
• Активный элемент с цепью обратной связи, который регулирует поступление энергии от источника в колебательную систему, чтобы компенсировать потери.

В LC-генераторах, создающих незатухающие электромагнитные колебания, роль ключевого активного элемента выполняет транзистор. Его главная задача — компенсировать потери энергии в колебательном контуре, которые неизбежно происходят из-за омического сопротивления проводов катушки и потерь в конденсаторе, а также из-за излучения электромагнитных волн.

Роль транзистора в этом процессе можно описать следующими шагами:

1. В колебательном контуре возникают свободные затухающие колебания.
2. С помощью катушки обратной связи (или иного элемента связи) небольшая часть энергии этих колебаний подается на управляющий вход транзистора (на переход база-эмиттер).
3. Транзистор работает в режиме усилителя. Поступающий на его вход слабый сигнал управляет значительно большим током в цепи коллектора, который питается от внешнего источника постоянного тока.
4. Усиленный ток из коллекторной цепи поступает обратно в колебательный контур. Для поддержания колебаний крайне важно, чтобы энергия возвращалась в контур в правильной фазе (это называется положительной обратной связью). Это означает, что транзистор должен "подталкивать" колебания в такт, подобно тому как раскачивают качели.
5. Таким образом, транзистор функционирует как электронный ключ или клапан. Он открывается и закрывается с частотой колебаний в контуре и порциями добавляет энергию от источника питания в колебательную систему, не позволяя колебаниям затухнуть.

Кроме того, нелинейность вольт-амперных характеристик транзистора играет важную роль в стабилизации амплитуды колебаний. В начальный момент, когда амплитуда мала, коэффициент усиления транзистора максимален, что приводит к нарастанию колебаний. По мере увеличения амплитуды транзистор начинает входить в режимы насыщения и отсечки, его эффективное усиление уменьшается. В итоге устанавливается стационарный режим, при котором энергия, добавляемая в контур за один период, становится в точности равной энергии, теряемой за тот же период. Амплитуда колебаний перестает расти.

Ответ: В генерации автоколебаний транзистор выполняет роль активного элемента (управляемого клапана), который восполняет потери энергии в колебательной системе. Он действует как усилитель: получает слабый сигнал из колебательного контура через цепь обратной связи, усиливает его за счет энергии внешнего источника питания и возвращает усиленную порцию энергии обратно в контур в нужной фазе, тем самым поддерживая незатухающие колебания и стабилизируя их амплитуду.