Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

10-1. 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Для осуществления радиопередачи необходимо иметь источник высокочастотных незатухающих колебаний. Естественно попытаться получить их в тех цепях, которым они свойственны, т.е. там, где они возникают при нарушении электрического равновесия. Для синусоидальных колебаний такой системой является колебательный контур.

Подключим к контуру в некоторый момент времени t0 очень кратковременно с помощью ключа K (рис. 10-1) источник постоянного тока. При кратковременном включении ток в цепи катушки не успеет нарасти до заметной величины из-за свойства индуктивности препятствовать изменениям тока. Иными словами, правая ветвь контура будет практически разорвана; конденсатор же успеет зарядиться, т.е. получить некоторую порцию энергии. При отключении источника конденсатор начнет разряжаться через катушку и в контуре возникнут затухающие колебания. Чтобы превратить их в незатухающие колебания, необходимо периодически пополнять запас энергии в контуре, для чего нужно подключать к нему источник постоянного напряжения в ту часть периода колебаний, когда на пластине конденсатора, соединяемой с отрицательным полюсом источника, будут накапливаться электроны. Тогда источник будет пополнять заряд на пластинах, т.е. запас энергии в конденсаторе (рис. 10-1, а). Если же замкнуть ключ в ту половину периода, когда на данной пластине скапливаются положительные заряды, то источник будет нейтрализовать их и разряжать конденсатор. В первом случае электроны, ускоряемые полем постоянного источника, приходили к контуру, испытывая противодействие одноименных зарядов его конденсатора, а во втором они двигались в ускоряющем электрическом поле контура.

Рис. 10-1. Пополнение энергии контура источником постоянного напряжения:
а - источник пополняет энергию контура;
б - подключение источника уменьшает энергию контура.

На основании этого можно сформулировать общий физический принцип обмена энергией между колебательной системой и электронным потоком, на котором основано действие большинства генераторных приборов. Пополнение энергии в колебательной системе происходит в том случае, когда электроны поступают в нее в тормозящем поле. Заряды, проходящие поле колебательной системы, в ускоряющей фазе отбирают энергию у поля системы. Это общее правило характеризует условие и направление обмена энергией между потоком и полем.

Из сказанного ясно, что для пополнения энергии в контуре следует на полпериода подключать к нему источник постоянного тока, а в другую половину периода отключать его (рис. 10-1, а и б). При этом будет происходить преобразование энергии источника постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний в контуре, т.е. то, что мы называем генерацией высокочастотных колебаний. Для этого, помимо источника, необходимо иметь ключ, с помощью которого можно было бы осуществлять такую коммутацию. Поскольку речь идет о высокочастотных колебаниях, нельзя и думать об использовании каких-либо механических переключателей. Роль надежного, безынерционного и управляемого без большой затраты энергии ключа в схемах генераторов широкого диапазона радиочастот может выполнять трехэлектродная или многоэлектродная лампа. Изменение напряжения на управляющей сетке в небольших пределах переводит лампу из запертого состояния в открытое. Скорость "срабатывания" такого ключа определяется временем пролета электронов от катода к аноду. Если это время много меньше периода колебаний, то лампу можно считать безынерционной. Современные лампы являются практически безынерционными до частот измеряемых тысячами мегагерц (период колебаний порядка 10-9 сек).

Для того чтобы лампа была заперта в неблагоприятную половину периода, на ее управляющую сетку подают отрицательное напряжение -Ec , которое называют напряжением смещения, достаточное для прекращения анодного тока. Для этого необходимо, чтобы смещение превышало напряжение запирания лампы Uз . А для отпирания лампы в благоприятную половину периода на управляющую сетку подают переменное напряжение возбуждения, изменяющееся с частотой, на которую настроен контур (рис. 10-2). Во время отрицательного полупериода напряжения возбуждения лампа закрыта, а положительные значения напряжения открывают ее. Поэтому под действием результирующего напряжения на сетке

(10-1)

в анодной цепи ток будет иметь форму периодических усеченных синусоидальных импульсов.

Рис. 10-2. Ламповый генератор незатухающих колебаний:
а - схема; б - токи и напряжения в анодной и сеточной цепях.

Такое устройство и представляет собой ламповый генератор высокочастотных колебаний. Чтобы убедиться в работоспособности устройства, необходимо проверить еще два обстоятельства: 1) будут ли импульсы проходить в благоприятной для пополнения энергии фазе напряжения на контуре и 2) будет ли мощность колебаний в контуре превышать затраты мощности источником возбуждения на управление лампой.

На первый вопрос можно ответить, воспользовавшись представлением анодного тока в виде суммы гармонических составляющих (см. § 2-5) симметричных импульсов:

(10-2)

Если контур настроен на частоту , то для постоянной составляющей и для всех высших гармоник он представляет практически короткое замыкание; на нем создается падение напряжения только от первой гармоники:

(10-3)

где RЭ - эквивалентное сопротивление контура.

Согласно правилу Кирхгофа для замкнутой цепи источник-контур-лампа напряжение на аноде

(10-4)

На рис. 10-3 изображены графики изменения напряжений и токов в генераторе, соответствующие уравнениям (10-1), (10-3) и (10-4). Из них непосредственно видно, что электроны, пролетая в лампе, подвергаются действию двух полей: постоянного ускоряющего поля источника анодного напряжения и переменного поля контура. Постоянное поле источника разгоняет электроны, сообщая им запас кинетической энергии. Переменное же поле контура тормозит электроны, их скорость уменьшается, и за счет части приобретенной ими кинетической энергии пополняется запас энергии в контуре. Так происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний.

Рис. 10-3. Временные диаграммы процессов в ламповом генераторе.

Рассмотрим теперь вопрос о мощности, необходимой для управления электронным потоком в лампе. Сначала допустим, что сетка не перехватывает электроны, летящие к аноду, однако это вовсе не означает, что в ее цепи при этом не может протекать ток.

Если около проводящей поверхности (в данном случае сетки) появляется электрический заряд (рис. 10-4), то свободные электроны проводника в зависимости от знака заряда либо скапливаются на ближайших к заряду участках, либо уходят от них. Это явление получило название электростатической индукции, а заряды, возникающие на поверхности, называют наведенными зарядами. Очевидно, что величина наведенного заряда зависит от силы притяжения первичного заряда, т.е. от расстояния между зарядом и поверхностью. Поэтому если первичный заряд будет двигаться к поверхности, то наведенный заряд будет возрастать за счет притока электронов с других частей проводника, создающих наведенный ток одного направления; при удалении первичного заряда наведенный заряд будет уменьшаться, электроны будут возвращаться на свои места, создавая наведенный ток противоположного направления.

Рис. 10-4. Токи, наводимые движущимися зарядами:
а - ток iн, наводимый в проводящей плоскости приближающимся зарядом;
б - токи iн1 и iн2 , наводимые в сетке приближающимися и удаляющимися зарядами.

Если сетка лампы не перехватывает электроны, то сколько их подлетает к ней, столько же и удаляется от нее к аноду, и результирующий наведенный ток Iн в ее цепи равен нулю. Поэтому мощность источника возбуждения, управляющего потоком электронов лампы в этом случае,

 

Следовательно, если электроны не оседают на сетке лампы, то на управление потоком (изменение его плотности) источник возбуждения мощности не затрачивает.

Это очень важный вывод, который объясняет усилительные свойства большинства генераторных приборов. Ведь речь здесь идет именно о них: в общем случае источник возбуждения затрачивает некоторую высокочастотную мощность на управление потоком Pв, благодаря чему в анодном контуре выделяется мощность P колебаний той же частоты. Для того чтобы устройство обладало усилительными свойствами, первая мощность должна быть меньше второй, т.е. генератор должен иметь коэффициент усиления по мощности

(10-5)

превышающий единицу, В рассмотренном выше идеальном случае он равен бесконечности.

Ну, а как будет на самом деле? Можно ли практически получить такое усиление? Как ни странно на первый взгляд, но это возможно. Электроны не будут оседать на сетке, если напряжение на ней лежит в области отрицательных значений; анодный ток при этом может существовать, как это следует из вида статических характеристик лампы. Выбрав соответствующим образом напряжения смещения и возбуждения, можно установить подобный режим работы, называемый буферным (рис. 10-5). Однако из рис. 10-5 видно, что в таком режиме лампа сильно недоиспользуется по току, поэтому в устройствах, где важно получение максимальной мощности на выходе, он практически используется редко, и генераторы работают с токами управляющей сетки, но амплитуда их обычно не превышает 10-15% от анодного тока. Поэтому коэффициент усиления генераторов по мощности практически лежит в пределах от десятков до сотен единиц.

Рис. 10-5. Использование лампы без токов управляющей сетки (буферный режим).

Из рис. 10-2 видно, что и сеточный ток представляет собой периодическую последовательность импульсов, т.е. состоит из постоянной составляющей и гармоник:

(10-6)

Для того чтобы уяснить полностью схему лампового генератора, остается еще определить, каким образом создаются напряжения возбуждения и смещения.

Рис. 10-6. Ламповые генераторы:
а - с внешним возбуждением; б - с самовозбуждением.

Источником возбуждающего напряжения может служить другой генератор высокочастотных колебаний; в этом случае возбуждаемый генератор называют генератором с внешним возбуждением (рис. 10-6, а). Но можно обойтись и без внешнего источника возбуждения, если снять часть напряжения со своего же анодного контура и подвести его к сетке лампы по специальной цепи обратной связи (рис. 10-6, б). В таком генераторе при выполнении определенных условий включение или малейшее нарушение электрического равновесия приводит к возникновению колебаний. Подобные генераторы, называемые генераторами с самовозбуждением, служат источниками первичных колебаний в радиоустройствах. Явления в них более сложны, чем в генераторах с внешним возбуждением, поэтому целесообразно начать более подробное изучение с последних.

В этой главе:
10-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
10-2. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ (УСИЛИТЕЛИ)
10-3. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
10-4. ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
10-5. КЛИСТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ
10-6. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН
10-7. ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
10-8. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН КЛАССА М
10-9. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ
10-10. ГЕНЕРАТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
10-11. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ С РЕАКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОДНОГО ЗНАКА
10-12. ЗАТЯГИВАНИЕ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ
10-13. ЗАХВАТЫВАНИЕ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРА
10-14. ГЕНЕРАТОРЫ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
ДИНАМО-МАШИНА - походное зарядное устройство!

До пяти минут связи хватает подзарядки мобильного телефона если вращать ручку динамо-машины в течение...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru