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無線電子工学および電気工学の百科事典 発振回路。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
最も単純な発振回路のデバイスと図を図 1 に示します。 ご覧のとおり、コイルLとコンデンサCで構成され、閉じた電気回路を形成しています。 特定の条件下では、電気振動が発生し、回路内に存在する可能性があります。 したがって、発振回路と呼ばれます。 このような現象を観察したことがありますか。電灯の電源を切る瞬間に、スイッチの開放接点間に火花が現れます。 誤って懐中電灯のバッテリー ストリップを接続した場合 (これは避ける必要があります)、それらが分離された瞬間に小さな火花も飛び散ります。 また、発電所では、スイッチが非常に大きな電流が流れる電気回路を遮断する工場では、火花が非常に大きくなる可能性があるため、電流をオンにする人に害を及ぼさないように対策を講じる必要があります。 これらの火花はなぜ発生するのでしょうか。
最初の会話から、電流が流れる導体の周りに磁場があることは既にわかっています。これは、周囲の空間を貫通する閉じた磁力線として表すことができます (図 2)。 この磁場を検出するには、一定であればコンパスの磁針を使用できます。 導体が電流源から切断された場合、その消滅する磁場は空間に散逸し、他の導体に電流を誘導します。 この磁場を作り出した導体に電流が誘導されます。 また、それ自体の磁力線の非常に太い部分にあるため、他のどの導体よりも強い電流が誘導されます。 この電流の方向は、導体を切断した瞬間と同じになります。 言い換えれば、消滅する磁場は、それ自体が消滅するまで、つまり、磁場に含まれるエネルギーが完全に使い果たされるまで、それを作成した電流を維持します。 その結果、電流源がオフになった後も導体内の電流が流れますが、もちろん、長くはありません - ほんの一瞬です。
しかし、開回路では電子の移動は不可能である、とあなたは反対するでしょう。 はい、そうです。 しかし、回路が開いた後、導体の切断された端の間、スイッチまたはナイフスイッチの接点の間の空隙を通って電流がしばらく流れる可能性があります。 空気中のこの電流は電気火花を形成します。 この現象は自己誘導と呼ばれ、消失磁場の影響下で電流を維持する電気力（最初の会話で話した誘導と混同しないでください）は起電力です。自己誘導の力、または要するに起電力。 自己誘導。 より多くの起電力。 自己誘導により、電気回路を遮断する時点で火花が大きくなる可能性があります。 自己誘導の現象は、電流をオフにしたときだけでなく、電流をオンにしたときにも観察されます。 導体を囲む空間では、電流がオンになるとすぐに磁場が発生します。 最初は弱いですが、すぐに強くなります。 電流の磁場が増加すると、自己誘導電流も励起されますが、この電流は主電流に向けられます。 自己誘導電流は、主電流の瞬間的な増加と磁場の成長を防ぎます。 ただし、しばらくすると、主電流と導体が自己誘導電流に打ち勝って最大値に達し、磁場が変化せず、自己誘導が停止します。 自己誘導の現象は、慣性の現象と比較することができます。 たとえば、そりは動きにくいです。 しかし、彼らがスピードを上げると、運動エネルギー、つまり動きのエネルギーが蓄積され、すぐに止めることはできません。 ブレーキをかけた後も、蓄えられた運動エネルギーが使い果たされて雪の摩擦に打ち勝つまで滑り続けます。 すべての導体の自己インダクタンスは同じですか? いいえ！ 導体が長いほど、自己誘導が大きくなります。 コイルに巻かれた導体では、コイルの各ターンの磁場がこのターンだけでなく、このコイルの隣接するターンにも電流を誘導するため、自己誘導の現象は直線導体よりも顕著です。 コイル内のワイヤが長いほど、主電流がオフになった後、自己誘導電流が長く存在します。 逆に、主電流をオンにするのに時間がかかるため、回路内の電流が特定の値まで上昇し、一定の強度の磁場が確立されます。 覚えておいてください: 値が変化したときに回路内の電流に影響を与える導体の特性はインダクタンスと呼ばれ、この特性が最も顕著に表れるコイルは自己誘導コイルまたはインダクタンス コイルです。 コイルの巻き数と寸法が大きくなるほど、そのインダクタンスは大きくなり、電気内の電流に対する影響も大きくなります。 鎖。 したがって、コイルは電気回路内の電流の増加と減少の両方を防ぎます。 直流回路の場合、その影響は電流のオンオフ時のみに影響します。 交流回路では、電流とその磁場が常に変化しており、emf. 電流が流れている限り、コイルの自己誘導が働きます。 これは電気現象であり、受信機の発振回路の最初の要素であるコイルで使用されます。
受信機の発振回路のXNUMX番目の要素は、電荷の「蓄積器」であるコンデンサです。 最も単純なコンデンサは、電流のXNUMXつの導体で構成され、コンデンサプレートと呼ばれるXNUMXつの金属プレートであり、電流の非導体 - 空気や紙などの誘電体で分離されています。 単純な受信機での実験中に、そのようなコンデンサをすでに使用しています。 コンデンサプレートの面積が大きく、それらが互いに近くにあるほど、このデバイスの電気容量は大きくなります。 直流電源がコンデンサプレートに接続されている場合（図3、a）、結果として得られる回路に短期間の電流が現れ、コンデンサは電流源の電圧に等しい電圧に充電されます。 あなたは疑問に思うかもしれません: 誘電体がある回路に電流が現れるのはなぜですか? 定電流源をコンデンサに接続すると、結果として得られる回路の導体内の自由電子が電流源の正極に向かって移動し始め、回路全体に短期間の電子の流れが形成されます。 その結果、電流源の正極に接続されているコンデンサ プレートは、自由電子が減少して正に帯電し、もう一方は自由電子に富むため、負に帯電します。 コンデンサが充電されるとすぐに、コンデンサ充電電流と呼ばれる回路内の短期間の電流が停止します。 電流源がコンデンサから切り離されると、コンデンサは充電されます (図 3、b)。 あるプレートから別のプレートへの過剰な電子の移動は、誘電体によって防止されます。 コンデンサのプレート間に電流はなく、コンデンサによって蓄積されます。 電気エネルギーは誘電体の電気部分に集中します。 しかし、帯電したコンデンサのプレートを導体で接続することは価値があります（図3、c）。負に帯電したプレートの「過剰な」電子は、この導体を通って別のプレートに移動し、そこで電子が失われ、コンデンサは退院される。 この場合、結果として生じる回路にはコンデンサの放電電流と呼ばれる短期間の電流も発生します。 コンデンサの静電容量が大きく、かなりの電圧に充電されている場合、放電の瞬間に大きな火花とパチパチ音が発生します。 ラジオ受信機の発振回路には、コンデンサに電荷を蓄積し、接続された導体を通して放電する性質が活かされています。 そして今、若い友よ、普通のスイングを思い出してください。 「息をのむ」ようにスイングできます。 これには何をする必要がありますか？ 最初に押してスイングを停止させ、次に力を加えますが、常に振動に合わせてください。 それほど困難なく、強力なスイングスイングを実現できます-大きな振幅の振動を得ることができます。 ブランコは小さな男の子でも、上手に力を入れれば大人のブランコを振ることができます。 大きな振幅の振動を達成するために、スイングをより強く振ったので、それらを押すのをやめます。 次は何が起こるのだろう？ 蓄えられたエネルギーのために、彼らはしばらくの間自由にスイングし、彼らが言うように、振動の振幅は徐々に減少し、振動は消滅し、最後にスイングは停止します。 スイングの自由な振動と自由に吊り下げられた振り子により、保存された - ポテンシャル - エネルギーが運動 - 運動エネルギーに変わり、最高点で再びポテンシャルに変わり、ほんの一瞬後に - 再びキネティック。 スイングが中断されている場所でのロープの摩擦と空気抵抗を克服するために、エネルギーの供給全体が使い果たされるまで、というように続きます。 任意の量のエネルギーを使用すると、自由振動は常に減衰します。各振動で振幅が減少し、振動が徐々に完全に消滅します-平和が始まります. しかし、周期 (XNUMX 回の振動が発生する時間の長さ)、つまり振動の頻度は一定のままです。 しかし、スイングがその振動 B に合わせて常に押され、それによってさまざまな制動力を克服するために費やされたエネルギー損失を補充する場合、振動は減衰されなくなります。 これらはもはや自由ではなく、強制振動です。 それらは、外部の押す力が作用しなくなるまで続きます。 ここでスイングについて言及したのは、このような機械的振動系で発生する物理現象が、電気的振動回路で発生する物理現象と非常に似ているからです。 回路内で電気振動が発生するためには、電子を「押す」エネルギーを与える必要があります。 これは、たとえばそのコンデンサを充電することによって行うことができます。 上の図 4 に示すように、スイッチ B を発振回路に分割し、DC 電源をそのコンデンサのプレートに接続してみましょう。 コンデンサはバッテリ B の電圧まで充電されます。次に、バッテリをコンデンサから切り離し、スイッチ C で回路を閉じます。回路で発生する現象を図 4 に示します。
回路がスイッチによって閉じられると、コンデンサの上部プレートは正の電荷を持ち、下部のプレートは負の電荷を持ちます（図4、a）。 グラフ上で点Oでマークされているこの瞬間、回路には電流が流れておらず、コンデンサに蓄積されたすべてのエネルギーはそのプレート間の電界に集中しています。 しかし、コンデンサはコイルに閉じられており、それを通して放電が始まります。 コイルに電流が流れ、コイルの周りに磁場が発生します。 コンデンサが完全に放電されるまでに (図 4、b)、グラフ上で番号 1 でマークされ、そのプレートの電圧がゼロに低下すると、電流 コイル内で、磁場のエネルギーが最高値に達します。 この時点で、回路内の電流は停止しているはずです。 ただし、emf の動作により、これは発生しません。 自己誘導、電流を維持しようとして、回路内の電子の動きが続きます。 ただし、磁場のすべてのエネルギーが使い果たされるまでのみです。 このときコイルには、大きさは減少するが元の方向の誘導電流が流れます。 グラフ上で番号 2 でマークされた時点までに、磁場のエネルギーが使い果たされると、コンデンサは再び充電されますが、下側のプレートには正の電荷が、上側のプレートには負の電荷が存在するだけです。 4つ（図3、c）。 ここで、電子はトップ プレートからコイルを通ってコンデンサのボトム プレートに向かう方向に逆方向の動きを開始します。 時間 4 (図 XNUMX、d) までにコンデンサは放電され、コイルの磁場は最大値に達します。 そして再び、emf。 自己誘導は、コイル ワイヤを介して電子を「駆動」し、それによってコンデンサを再充電します。 時間 4 (図 4、e) では、回路内の電子の状態は最初の瞬間 0 と同じになります。XNUMX つの完全な振動が終了します。 当然のことながら、充電されたコンデンサは再びコイルに放電されて再充電され、XNUMX 回目が発生し、その後 XNUMX 回目、XNUMX 回目が発生します。 変動。 つまり、回路内に交流、電気振動が発生します。 しかし、回路内のこの振動プロセスは無限ではありません。 この動作は、バッテリーからコンデンサーが受け取ったすべてのエネルギーが回路のコイル線の抵抗を克服するために使い果たされるまで続きます。 回路内のこのような振動は自由 B であるため、減衰されます。 回路内の電子の振動の周波数はどれくらいでしょうか? この問題をよりよく理解するには、最も単純な振り子を使用してそのような実験を行うことをお勧めします。 長さ100 cmの糸、粘土で成形されたボール、または重さ（重量）20〜40 gの別の負荷に吊り下げられます（図5では、振り子の長さはラテン文字lで示されています）。 振り子を平衡状態から外し、秒針付きの時計を使用して、1 分間に振り子が完全に振動する回数を数えます。 したがって、この振り子の振動周波数は 30 Hz、周期は 0,5 s となります。 この期間中、振り子の位置エネルギーは 2 回運動学に移行し、運動学はポテンシャルに移行します。 糸を半分に切ります。 振り子の周波数は約 XNUMX 倍に増加し、振動周期は同じ量だけ減少します。
この経験から、振り子の長さが短くなると、その固有振動の周波数が増加し、それに比例して周期が減少すると結論付けることができます。 振り子サスペンションの長さを変更して、振動周波数が 1 Hz であることを確認します。 これは約 25 cm の糸の長さである必要があり、この場合、振り子の振動周期は 1 秒に等しくなります。 振り子の最初のスイングをどのように作成しようとしても、その振動の周波数は変わりません。 ただし、発振周波数がすぐに変化するため、スレッドを短くするか長くするだけで済みます。 ねじの長さが同じであれば、発振周波数は常に同じになります。 これが振り子の固有振動数です。 ねじの長さを選択することにより、任意の発振周波数を得ることができます。 糸振り子の振動が減衰されます。 振り子がその振動に合わせてわずかに押された場合にのみ、減衰がなくなる可能性があります。これにより、空気によって加えられる抵抗、摩擦エネルギー、地球の重力を克服するために振り子が消費するエネルギーが補償されます。 電気振動回路にも独自の周波数があります。 固有振動周波数は、まずコイルのインダクタンスに依存します。 コイルの巻き数と直径が大きいほど、そのインダクタンスが大きくなり、各振動の周期の持続時間が長くなります。 回路内の振動の固有振動数は、それに応じて低くなります。 逆に、コイルのインダクタンスが減少すると、発振周期が短くなり、回路内の発振の固有周波数が増加します。 回路内の振動の周波数は、第二に、コンデンサの静電容量に依存します。 静電容量が大きいほど、コンデンサに蓄積できる電荷が多くなり、再充電にかかる時間が長くなり、回路内の発振周波数が低下します。 コンデンサの静電容量が減少すると、発振周波数と回路が増加します。 したがって、回路内の減衰振動の固有振動数は、コイルのインダクタンスまたはコンデンサの静電容量を変更することによって制御できます。 しかし、機械的振動システムと同様に電気回路でも、減衰されていないものも得られます。 強制振動、各振動で回路が任意の交流電源からの電気エネルギーの追加部分で補充される場合。 それでは、減衰されていない電気振動はどのように励起され、受信回路で維持されますか？ アンテナで励起された高周波電流。 この電流は回路に初期電荷を知らせ、回路内の電子のリズミカルな振動も維持します。 しかしながら、受信機回路における最強の減衰されていない振動は、回路の固有周波数とアンテナの電流の周波数との共振の瞬間にのみ発生します。 どういう意味ですか？ サンクトペテルブルクでは、歩きながら歩いている兵士たちからエジプト橋が崩壊したと、年配の人々は言います。 そして、それは明らかに、そのような状況下で起こる可能性があります。 すべての兵士は橋を渡ってリズミカルに歩調を合わせました。 橋はこれから揺れ始めました-振動しました。 偶然にも、橋の固有振動数は兵士のステップ周波数と一致しました。彼らが言うように、橋は共鳴しました。 建物のリズムは橋にエネルギーのますます多くの部分を知らせました。 その結果、橋は大きく揺れ、崩壊しました。軍事システムの一貫性が橋を傷つけました。 橋の固有振動数と兵士のステップ周波数の共振がなければ、橋には何も起こらなかったでしょう。 そのため、ちなみに、兵士が弱い橋を渡るときは、「足をノックオフする」という命令を出すのが通例です。 で、体験はこちら。 弦楽器に行き、大声で「a」と叫びます。弦のXNUMXつが鳴ります。 この音の周波数と共鳴している弦は、他の弦よりも強く振動し、音に反応します。 別の経験 - 振り子で。 細いロープを水平に伸ばします。 糸と粘土でできた同じ振り子を結びます（図6）。 ロープの上に別の同様の振り子を投げますが、より長い糸を使用します。 この振り子のサスペンションの長さは、糸の自由端を手で引っ張ることで変更できます。 この振り子を振動運動にします。 この場合、最初の振り子も振動し始めますが、振幅は小さくなります。 XNUMX 番目の振り子の振動を止めずに、サスペンションの長さを徐々に短くします。最初の振り子の振動の振幅が大きくなります。 機械的振動の共振を示すこの実験では、最初の振り子は、XNUMX 番目の振り子によって励起された振動の受信機です。 最初の振り子を強制的に振動させる理由は、XNUMX 番目の振り子の振動周波数に等しい周波数を持つ拡張の周期的な振動です。 最初の振り子の強制振動は、その固有振動数が XNUMX 番目の振り子の振動周波数と一致する場合にのみ最大振幅を持ちます。
もちろん、電気的な「起源」のそのようなまたは類似の現象は、受信機の発振回路でも観察されます。 多くのラジオ局の電波の作用により、さまざまな周波数の電流が受信アンテナに励起されます。 これらすべての周波数から、送信を聞きたいラジオ局の周波数のみを選択する必要があります。 これを行うには、コイルの巻き数と発振回路のコンデンサの静電容量を選択して、その固有周波数が、関心のあるステーションの波によってアンテナに生成される電流の周波数と一致するようにする必要があります。 . この場合、最も強い振動が、同調されているラジオ局のキャリア周波数で回路内に励起されます。 これは、送信局の周波数と共振するように受信回路を調整することです。 この場合、他のステーションの信号はまったく聞こえないか、非常に弱く聞こえます。これは、回路内でそれらによって励起される振動が非常に弱いためです。 したがって、最初の受信機の回路をラジオ局の周波数と共振するように調整することにより、その助けを借りて、いわば選択されたように、この局のみの周波数変動を選び出しました。 回路がアンテナからの所望の発振をより適切に選択するほど、受信機の選択性が高くなり、他のラジオ局からの干渉が弱くなります。 これまで、閉じた振動回路について説明してきました。 回路の固有振動数は、コイルのインダクタンスとそれを形成するコンデンサの静電容量によってのみ決定されます。 ただし、受信機の入力回路には、アンテナとグランドも含まれます。 これはもはや閉じた振動回路ではなく、開いた振動回路です。 実際には、アンテナ線とアースはコンデンサの「プレート」であり（図7）、一定の電気容量があります。 ワイヤの長さと地面からのアンテナの高さに応じて、この静電容量は最大で数百ピコファラッドになる可能性があります。 このようなコンデンサは、図の回路にあります。 破線で表示されました。 しかし、結局のところ、アンテナとアースは、大きなコイルの不完全なコイルと見なすこともできます。 したがって、アンテナとグランドを合わせたものにもインダクタンスがあります。 そしてキャパシタンスはインダクタンスと一緒になって発振回路を形成します。
このような回路は開放発振回路であり、独自の発振周波数も持っています。 アンテナとグランドの間にインダクタとコンデンサを含めることで、その固有周波数を変更し、さまざまなラジオ局の周波数と共振するように調整できます。 これが実際にどのように行われるか、あなたはすでに知っています。 発振回路はラジオ受信機の「心臓部」と言っても過言ではありません。 そして、ラジオだけではありません。 あなたはこれを確信するでしょう。 だからこそ、私は彼に多くの注意を払いました。 出版物：N。ボルシャコフ、rf.atnn.ru
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