Если , то решения уравнения
получаются затухающими. Цепь устойчива.
Даже если возбудить колебания в контуре каким-нибудь образом, то они затухнут.
Если же , то решения будут
растущими
. Это и есть неустойчивость, возбуждение.
Достаточно сколь угодно малых флюктуаций напряжения, которые всегда есть за
счёт тепловых шумов, чтобы в контуре появились колебания. Подчеркнём ещё раз
условия возбуждения.
;
. При
этом энергия, поступающая в контур за период от нелинейного элемента (а в
конечном итоге, от источника питания), превышает энергию потерь. Амплитуда
колебаний растёт.
Рассматривая процессы установления в любом генераторе гармонических колебаний, обычно выделяют и анализируют отдельно три стадии.
1. Факт самовозбуждения колебаний и соответствующие условия.
2. Нарастание амплитуды колебаний.
3. Установившийся процесс, когда амплитуда колебаний перестала расти.
Вторую стадию, как правило, подробно не рассматривают. Она занимает промежуточное положение и не имеет большого практического интереса.
На первой стадии процесса, при обсуждении условий возбуждения, мы можем не учитывать нелинейность системы, поскольку амплитуда колебаний очень маленькая. Мы так и делали. Однако нелинейность становится принципиальной на второй и третьей стадии. Важно понять, что только нелинейность системы может ограничить рост амплитуды, привести к изменению характера решений дифференциального уравнения. Если бы система оставалась линейной при любой амплитуде колебаний, то амплитуда возрастала бы неограниченно.
Как реально проявляет
себя нелинейность в системе, за счёт какого элемента? Прежде всего за счёт
дифференциального сопротивления нелинейного элемента. Рассмотрим это на примере
туннельного диода. Его характеристика изображена на рис. 7.5 и отличается от
характеристики обычного диода (пунктир) только при очень малых напряжениях, где
имеется локальный максимум тока за счёт туннельного эффекта. Выберем рабочую точку
в середине «падающего»
участка
и предположим, что в точке
минимален и равен
(наиболее крутой участок). На концах
«падающего» участка, в точках
и
,
обращается
в бесконечность. Пока амплитуда колебаний мала по сравнению с величиной
, дифференциальное сопротивление можно
считать постоянным. При этом
и дифференциальное
уравнение линейно. Если условия возбуждения выполнены, то дифференциальное
уравнение будет иметь растущие решения.
Однако, с ростом
амплитуды колебаний, нелинейность будет проявлять себя всё больше и больше,
вызывая рост . Ситуация качественно изображена на рис.
7.6. Проанализируем характер изменений
и
из энергетических соображений. Постоянное
сопротивление
определяет мгновенную и среднюю
мощность тепловых потерь в контуре.
, где
есть амплитуда тока. Нелинейное
сопротивление
определяет мгновенную мощность,
поступающую в контур от нелинейного элемента.
.
Поскольку амплитуда колебаний в контуре при большой добротности меняется
медленно, относительно мало за период, то для уяснения характера изменения
амплитуды колебаний
, удобнее сравнивать не
мгновенные мощности
и
, а подводить
энергетический баланс в среднем, за период. Для этого нам нужны усреднённые
значения.
. Рисунок 7.6 наглядно показывает, что с
ростом амплитуды колебаний,
растёт. Соответственно,
уменьшается. Для качественных рассуждений
нам важна именно эта тенденция.
Зависимость, отражающая
энергетический баланс в контуре, изображена на рис. 7.7. При малых амплитудах: . В контур поступает энергии больше, чем
теряется. Амплитуда колебаний нарастает. По мере роста амплитуды колебаний,
уменьшается, рост амплитуды замедляется.
Наконец, при
,
обращается
в ноль, рост амплитуды прекращается. Наступает динамическое равновесие. Легко
убедиться, что это значение установившейся амплитуды будет устойчивым и оно не
зависит от начальных условий. В самом деле, пусть начальное значение амплитуды
. Тогда колебания будут затухать, т.к.
, пока амплитуда опять не достигнет
значения
. Процесс установления амплитуды при
хорошей добротности занимает много периодов (порядка
).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.