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

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

10-3. 

ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Генераторы с самовозбуждением отличаются от генераторов с внешним возбуждением наличием цепи обратной связи. На рис.10-16 изображена схема генератора с самовозбуждением, в котором обратная связь осуществляется через трансформатор, связывающий анодную и сеточную цепи лампы.

Рис. 10-16. Схема автогенератора с трансформаторной обратной связью.

Наличие обратной связи создает возможность для возбуждения в схеме устойчивых колебаний без воздействия внешнего источника. Это может вызвать недоумение: если бы в контуре в начальный момент существовали колебания, то из-за наличия обратной связи на сетке лампы возникло бы напряжение возбуждения и благодаря усилительным свойствам генератора колебания в данной замкнутой системе продолжались бы неограниченно долго. Но ведь в момент включения генератора этих колебаний нет!?

Рассеять это недоумение позволяет нам гармонический анализ. В момент включения во всех цепях генератора проходят кратковременные импульсы токов, заряжающих емкости схемы. Из §2-5 нам известно, что одиночный импульс образует сплошной спектр колебаний, одно из которых поэтому обязательно совпадает с собственной частотой колебательной системы генератора. Колебание возбудит контур, и по цепи обратной связи на сетку лампы поступит напряжение данной частоты. Под действием его анодный ток лампы станет изменяться с той же частотой, переменная составляющая его, проходя через контур, будет усиливать возникшие в нем колебания. Амплитуда их будет нарастать до тех пор, пока энергия, приносимая в контур, не сравняется с энергией возрастающих потерь, после чего в схеме установятся колебания с постоянной амплитудой. Этот процесс называется самовозбуждением генератора. Поскольку генератор здесь является автономной системой (лишенной внешних воздействий), то его называют также автогенератором, а колебания в нем - автоколебаниями.

Следует отметить, что описанная выше картина самовозбуждения автогенератора представлена несколько упрощенно. На самом деле, для того чтобы все происходило подобным образом, необходимо выполнить некоторые условия. Во-первых, для того чтобы первичное слабое напряжение на контуре усиливалось, необходимо, чтобы переменная составляющая анодного тока создавала на контуре падение напряжения, совпадающее по фазе с первичным, т.е. сумма всех фазовых сдвигов, накапливающихся при обходе замкнутой автоколебательной системы, должна быть равна нулю или целому числу 2 рад. Это требование называют фазовым условием самовозбуждения или условием баланса фаз автогенератора. Поскольку фазовые сдвиги при данных параметрах схемы зависят от частоты, то это условие определяет частоту генерируемых колебаний.

Второе условие в общем виде можно сформулировать следующим образом: первичные колебания в схеме будут нарастать, если мощность подводимых к контуру колебаний будет больше мощности потерь в нем. Это условие выполняется в схеме при определенных условиях.

Согласно расчетным соотношениям, полученным в гл. 8, первая гармоника анодного тока

(10-24)

где:

S - крутизна характеристики лампы;
Uc - амплитуда напряжения на сетке;
Ua - амплитуда напряжения на аноде;
D - проницаемость лампы.

Напряжение на сетке лампы пропорционально напряжению па контуре

(10-25)

где k - коэффициент обратной связи, показывающий какая доля напряжения на контуре подается по цепи обратной связи на сетку.

Переменное напряжение на аноде лампы противофазно напряжению на контуре (см. рис. 10-3), т.е.

(10-26)

Подставив выражения (10-25) и (10-26) в формулу (10-24), получим:

(10-27)

Напряжение, создаваемое этим током на контуре,

(10-28)

где Rэ - эквивалентное сопротивление контура, а U'к - напряжение, возникшее при срабатывании схемы под действием напряжения Uк. Если подводимая к контуру мощность больше потерь в нем, то

(10-29)

и колебания будут нарастать,

Подставив формулу (10-28) в условие (10-29), получим:

(10-30)

или в другом виде

(10-31)

Отсюда видно, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы коэффициент обратной связи превышал некоторое критическое значение, которое тем больше, чем меньше крутизна лампы и эквивалентное сопротивление контура и чем больше проницаемость лампы. Это условие самовозбуждения называется амплитудным.

Для получения высокого к.п.д. генератора нужно, чтобы он работал в режиме B или C, а для этого на сетку лампы следует подать отрицательное смещение –Ec, запирающее лампу в отсутствие напряжения возбуждения. Но тогда первичные небольшие по амплитуде колебания не могут отпереть лампу (рис. 10-17), и генератор не возбудится. Для самовозбуждения генератора тогда необходимо иметь в первый же момент включения в контуре колебания значительной амплитуды (подобный режим самовозбуждения принято называть "жестким"), а это обычно не происходит. Поэтому для возбуждения колебаний в генераторе от самых малых первичных толчков нужно, чтобы в начальный момент лампа была отперта и работала на участке с максимальной крутизной, как это следует из выражения (10-31). Для этого нужно устанавливать либо нулевое, либо очень малое смещение, но при этом генератор будет иметь очень низкий к.п.д.

Рис. 10-17. Напряжение смещения на управляющей сетке лампы в режиме С.

Возникающее противоречие между требованием получения высокого к.п.д. и легкого, или, как принято говорить, "мягкого", самовозбуждения можно устранить, применив цепочку сеточного автоматического смещения. В момент включения, когда колебаний еще нет, нет напряжения и на сетке, нет сеточных токов, следовательно, и нет смещения; поэтому лампа работает на участке с большой крутизной (рис. 10-18) и генератор легко возбуждается. По мере нарастания амплитуды колебании растет напряжение возбуждения, увеличивается сеточный ток и смещение, создаваемое цепочкой RcCc. В установившемся режиме на сетке лампы создается достаточно большое смещение и генератор работает в режиме B или C с высоким к.п.д. Благодаря подобному действию цепочки автоматического смещения она используется практически во всех автогенераторах.

Рис. 10-18. Напряжения и токи в процессе возбуждения автогенератора при автоматическом сеточном смещении.

Разберем теперь более подробно, чем определяется прекращение нарастания колебаний в схеме и переход к установившемуся состоянию с постоянными амплитудами. Рассматривая рис.10-18, можно заметить, что увеличение смещения в процессе возбуждения генератора приводит к тому, что все большая и большая часть периода переменного напряжения на сетке uc приходится на участки характеристики лампы, где ее крутизна либо сильно уменьшена, либо равна нулю. Поэтому нужно уже говорить о некоторой "средней" крутизне лампы, которая с появлением отсечки уменьшается. Например, в режиме B половину периода лампа заперта, поэтому средняя крутизна в 2 раза меньше статической крутизны отпертой лампы. Уменьшение средней крутизны ведет к падению амплитуды первой гармоники анодного тока и мощности, подводимой к контуру.

С другой стороны, увеличение амплитуды напряжения на сетке и сеточного тока приводит к росту мощности возбуждения лампы, которая отбирается из контура. Но при этом возрастают потери, вносимые в контур, и уменьшается его эквивалентное сопротивление. Увеличение напряжения возбуждения сверх некоторого значения может привести к прекращению нарастания анодного тока либо вследствие достижения насыщения, либо из-за перехода в перенапряженный режим, когда содержание первой гармоники уменьшается, вследствие искажения формы импульсов, а это также следует рассматривать как уменьшение средней крутизны лампы.

Нарастание колебаний в схеме прекращается, когда наступает баланс подводимой к контуру и расходуемой в нем мощности; об этом свидетельствует равенство первичного напряжения на контуре и напряжения, возникшего под его воздействием в результате срабатывания схемы:

(10-32)

откуда, учитывая соотношение (10-28), получаем;

(10-33)

Полученное соотношение выражает условие установления амплитуды колебаний в схеме. Поскольку оно отражает баланс энергий в автоколебательной системе, его обычно называют уравнением баланса амплитуд.

Таким образом, стационарный (установившийся) режим автогенератора определяется условиями баланса фаз и баланса амплитуд. Первое определяет частоту генерируемых колебаний, а второе - их амплитуду. Надо заметить, что это положение справедливо не только для ламповых, но и для всех других автогенераторов, в которых осуществляется обмен энергией между колебательной системой и электронным потоком.

Вы можете спросить - хорошо, амплитуду установившихся колебаний при выбранном значении коэффициента обратной связи мы можем узнать из уравнения (10-33), но как нужно выбирать этот коэффициент и какое влияние тот или иной выбор окажет на амплитуду колебаний в схеме? Ответ на этот вопрос можно получить из рассмотрения так называемых "колебательных характеристик" генераторов. Происхождение их основано на том, что мы всегда можем представить автогенератор как генератор с внешним возбуждением, вход и выход которого соединен линией обратной связи.

Колебательными характеристиками называют зависимости первой гармоники анодного тока генератора с разорванной цепью обратной связи от напряжения возбуждения, снятые при некоторых постоянных смещениях на сетке Ec. При Ec = 0 лампа отперта, и увеличение переменного напряжения на ее сетке создает пропорциональное возрастание первой гармоники анодного тока, пока рост сеточного тока не прекратит этот процесс; затем первая гармоника анодного тока будет даже уменьшаться из-за появления провалов в импульсах.

Рис. 10-19. Зависимость анодного тока от амплитуды напряжения на сетке.

Если повторить тот же опыт, но подать небольшое отрицательное смещение на сетку –Ec1 (рис.10-19), то вначале нарастание анодного тока будет замедлено из-за криволинейности нижнего участка характеристики лампы, затем наступит более быстрое нарастание, которое прекратится и сменится спаданием при переходе в перенапряженный режим. Благодаря наличию смещения это наступит при большем напряжении возбуждения, чем в первом случае. Еще более ярко те же изменения проявятся при дальнейшем увеличении смещения (–Ec2, –Ec3 и т.д.). В результате таких опытов будут получены зависимости, изображенные на рис. 10-20.

Рис. 10-20. Колебательные характеристики автогенератора.

А теперь вспомним, что благодаря наличию обратной связи в автогенераторе существует и обратная зависимость: чем больше первая гармоника анодного тока, тем больше напряжение на контуре и пропорциональное ему напряжение возбуждения:

(10-34)

Если изобразить эти зависимости в координатах (Ia1, Uc), принятых для графиков колебательных характеристик, то они будут иметь вид семейства прямых, выходящих из начала координат, наклон которых тем больше, чем больше коэффициент обратной связи, т.е.

 

Точка пересечения прямой обратной связи с колебательной характеристикой (рис. 10-21) определяет величину первой гармоники анодного тока и напряжение на сетке, которые удовлетворяют обеим зависимостям; они и устанавливаются в схеме при данном коэффициенте обратной связи и смещении.

Рис. 10-21. Определение стационарного режима по колебательным характеристикам.

Из рассмотрения рис. 10-21 видно, что при k < kкр прямые обратной связи не пересекают колебательные характеристики, что свидетельствует о невозможности самовозбуждения генератора. При k > kкр самовозбуждение становится возможным, но в ряде случаев получаются три точки (1, 2 и 3) пересечения колебательных характеристик. Какая же из них определяет стационарное состояние генератора?

Легко показать, что точка 2 будет неустойчивой. Действительно, допустим, что в силу каких-то случайных причин напряжение на сетке возросло от Uc2 до U'c2. Это приведет к увеличению анодного тока до I'a1, но по характеристике обратной связи можно видеть, что напряжение на сетке станет тогда U"c2 > U'c2, и т.д. Ток и напряжения будут быстро нарастать до значений I"'a1 и Uc3, которые окажутся устойчивыми потому, что увеличение одного из них приводит к уменьшению другого. Аналогично можно убедиться, что малейшее уменьшение тока или напряжения в точке 2 приведет к быстрому переходу генератора в состояние, соответствующее точке 1, т.е. к срыву колебаний.

Из тех же построений видно, что увеличение коэффициента обратной связи от kкр сначала приводит к росту амплитуды анодного тока и напряжения на сетке, затем рост прекращается и даже наступает некоторый спад анодного тока из-за перехода генератора в перенапряженный режим. Следовательно, для возбуждения генератора необходимо установить обратную связь, превышающую некоторое критическое значение, однако выбирать ее очень большой также нецелесообразно, так как это приводит не к увеличению, а к снижению мощности генератора. Оптимальную обратную связь устанавливают расчетным или опытным путем.

В большинстве ламповых автогенераторов отсутствует специальный орган обратной связи, роль которого выполняла катушка связи в рассмотренной выше схеме (рис. 10-16). Напряжение на сетку лампы просто снимается с одного из элементов колебательной системы путем непосредственного присоединения к нему участка сетка-катод лампы. Следовательно, в таких генераторах лампа присоединяется к колебательной системе тремя точками: анодом, катодом и сеткой. Поэтому такие генераторы получили название трехточечных.

Для удобства изучения многочисленных схем трехточечных генераторов познакомимся с их основными общими свойствами. Сопротивление части колебательной системы, включенной между анодом и катодом лампы (рис. 10-22), будем обозначать X1, между катодом и сеткой - X1 и между сеткой и анодом - X3 (активными составляющими, как правило, можно пренебрегать по сравнению с реактивными). В общем случае эти сопротивления могут представлять собой эквивалентные параметры любой сложной цепи. Будем также считать, что они включают в себя все паразитные параметры схемы (индуктивности выводов, междуэлектродные емкости лампы и др.).

Рис. 10-22. Обобщенная схема трехточечного автогенератора.

Колебания в генераторе могут возникнуть только на собственной частоте его колебательной системы. Напомним, что при собственных колебаниях в системе происходят периодические переходы запасаемой магнитной энергии в электрическую и наоборот. Запасы этих энергий одинаковы, поэтому система без потерь не потребляет энергии. В ней протекает кольцевой ток, для которого в силу отмеченных особенностей сумма реактивных сопротивлений равна нулю:

(10-35)

Поскольку все реактивные сопротивления зависят от частоты, то условие (10-35) определяет частоты колебаний, которые могут возбудиться в генераторе. Таких частот может быть одна, две, три, … и в общем случае сколько угодно в зависимости от вида колебательной системы.

Напряжение между анодом и катодом можно определить как произведение тока Iк в колебательной системе на сопротивление элемента X1, включенного между этими электродами:

(10-36)

Напряжение между катодом и сеткой

(10-37)

Напряжение же возбуждения, наоборот, отсчитывается от сетки к катоду:

(10-38)

Из выражений (10-36) и (10-38) вытекает, что

(10-39)

Из графиков на рис. 10-3 следует, что для пополнения энергии в контуре напряжение возбуждения должно быть в противофазе по отношению к напряжению между анодом и катодом. Это будет выполнено, если отношение

(10-40)

Из выражения (10-39) также следует, что это отношение выражает собой коэффициент обратной связи генератора:

(10-41)

Условие (10-40) выполняется, если одновременно сопротивления X2 и X1 либо отрицательны, либо положительны; для выполнения же условия (10-35) сопротивление X3 должно иметь обратный им знак.

Рассмотрим теперь, к каким возможным схемам автогенераторов можно прийти на основании данных выводов. Если X1 > 0, X2 > 0, а X3 < 0, то эквивалентная схема автогенератора принимает вид, изображенный на рис. 10-23, а. Такая схема получила название индуктивного трехточечного автогенератора. Если же X1 < 0, X2 < 0, X3 > 0, то эквивалентная схема автогенератора принимает вид, показанный на рис. 10-23, б. Эта схема получила название емкостного трехточечного автогенератора.

Рис. 10-23. Схемы одноконтурных трехточечных автогенераторов:
а - индуктивный трехточечный автогенератор;
б - емкостный трехточечный автогенератор.

Уяснение общих условий самовозбуждения и свойств автогенераторов позволяет нам легче разобраться в схемах и особенностях работы практических автогенераторов.

Одноконтурные автогенераторы

Наиболее просты те схемы автогенераторов, в которых сопротивления X1, X2 и X3 образуют один колебательный контур. Такие генераторы называют одноконтурными. На рис. 10-24, а изображена практическая схема индуктивного одноконтурного автогенератора. Индуктивности L1 и L2 в ней представлены участками одной катушки, с части которой как с автотрансформатора снимается напряжение на сетку лампы. Поэтому данную схему часто называют генератором с автотрансформаторной обратной связью.

Рис. 10-24. Практические схемы автогенераторов с автотрансформаторной обратной связью.

Следует обратить внимание на то, что точка k присоединения катода должна лежать между точками a и c присоединения анода и сетки. Только в этом случае соблюдается правильная фазировка схемы (напряжение на сетке меняется противофазно напряжению на аноде). Если поменять местами точки присоединения катода и сетки, то схема самовозбуждаться не будет. На эквивалентной схеме это отразится согласно принятым определениям тем, что теперь роль сопротивления X1 будет выполнять конденсатор C, а сопротивления X2 и X3 будут представлены участками катушки L1 и L2. Такая схема не должна возбуждаться, поскольку коэффициент обратной связи k = (-C)(L2) < 0.

Цепь постоянной составляющей сеточного тока в схеме на рис. 10-24, а замыкается через часть катушки L2. При такой последовательной схеме включения цепи автоматического смещения неизбежно применение параллельной схемы питания анода, так как иначе анодное напряжение попадет на сетку. Этого можно избежать, если применить параллельную схему автоматического смещения (рис. 10-24, б).

Регулирование обратной связи достигается перемещением точки c по катушке. Изменение положения точки k приводит одновременно к изменению коэффициента обратной связи и коэффициента включения контура, т.е. к изменению эквивалентного сопротивления нагрузки для лампы. Изменение частоты генерации достигается чаще всего изменением емкости конденсатора C.

С помощью таких схем удается изменять плавно частоту с перекрытием kf = Fмакс /Fмин, равным нескольким единицам. Поэтому такие генераторы получили широкое распространение в диапазонах длинных и средних волн. На частотах выше 10 МГц индуктивность катушек настолько уменьшается, что в них остается всего несколько витков. Из-за этого регулирование обратной связи становится весьма грубым и поэтому на указанных частотах целесообразнее перейти на другие схемы автогенераторов.

Рис. 10-25. Практические схемы автогенераторов с емкостной обратной связью.

На рис. 10-25, а изображена практическая схема емкостного трехточечного автогенератора. Напряжение обратной связи здесь снимается с конденсатора C2. Такой генератор может работать только при параллельных схемах автоматического смещения и питания анода. Неудобство данной схемы по сравнению с предыдущей заключается в том, что изменение обратной связи путем изменения емкости конденсатора C2 неизбежно приводит к изменению частоты генератора. Чтобы уменьшить это влияние, емкости конденсаторов C1 и C2 выбирают минимальными, а настройку производят дополнительным конденсатором большей емкости C (рис. 10-25, б). Этот генератор также хорошо работает на длинных и средних волнах. На более коротких волнах паразитные емкости схемы (междуэлектродные емкости лампы, монтажные емкости) становятся соизмеримыми с емкостями контура, что затрудняет регулирование обратной связи и сужает рабочий диапазон частот генератора.

Основные достоинства одноконтурных генераторов - простота устройства, однозначность настройки, широкий диапазон перестройки. Основной же недостаток их заключается в том, что единственный контур, определяющий рабочую частоту, служит также нагрузкой генератора, в которой выделяется генерируемая мощность, и он же связывается с внешними потребителями энергии. Мощность, выделяемая в контуре, превращается в тепло, детали контура изменяют свои размеры и электрические параметры, что приводит к уходу частоты генератора. Внешние потребители энергии вносят в контур переменные реактивные сопротивления и тоже изменяют рабочую частоту генератора. Стабильность же частоты является важнейшим показателем качества его работы. Этот принципиальный недостаток может быть устранен только переходом к более сложным - двухконтурным или многоконтурным генераторам.

Двухконтурные автогенераторы

При введении в колебательную систему автогенератора второго контура появляется принципиальная возможность разделения между ними функций стабилизации частоты, с одной стороны, и выделения мощности и связи с нагрузкой - с другой. Проще всего эта задача решается путем включения в анодную цепь любого из рассмотренных выше автогенераторов последовательно с основным дополнительного контура (рис. 10-26, а). Если эквивалентное сопротивление дополнительного контура 2 много больше эквивалентного сопротивления контура 1, определяющего частоту, то большая доля генерируемой мощности выделяется в контуре 2; его и нужно связывать с внешним потребителем энергии. Первый контур, наоборот, на сколько возможно изолируют от всех внешних влияний (экранируют его, а в ряде случаев и помещают в термостат). Однако при использовании в генераторе триодов внешние влияния могут передаваться в контур 1 из контура 2 через емкость анод-сетка лампы.

Рис. 10-26. Двухконтурный генератор с электронной связью.
а - развязка контура, определяющего частоту, от нагрузки с помощью дополнительного контура;
б - практическая схема.

Чтобы устранить эту емкостную связь, в генераторах данного типа применяют тетроды или пентоды (рис. 10-26, б), экранирующая сетка которых, заземленная по высокой частоте, практически уничтожает емкостную связь между контурами. Единственный вид связи, которую нельзя ликвидировать в этой схеме, - это связь за счет общего электронного потока, последовательно обтекающего контуры. Поэтому данная схема и получила название генератора с электронной связью. Вследствие того что экранирующая сетка и верхняя (по схеме) точка контура 1 заземлены, катод лампы находится под напряжением высокой частоты и его нельзя непосредственно заземлять. В лампах прямого накала для этого включают высокочастотные разделительные дроссели Lр в цепь нити накала.

Интересной особенностью работы такого генератора является возможность при настройке контура 2 на одну из высших гармоник анодного тока получать повышенную частоту на выходе. При этом благодаря различной настройке контуров еще больше ослабляется их взаимное влияние и тем самым повышается стабильность частоты. Частотные же ограничения, свойственные рассмотренным выше одноконтурным генераторам, остаются в силе и для этого двухконтурного генератора.

В диапазонах коротких и ультракоротких волн основное распространение нашли двухконтурные автогенераторы, в которых связь между контурами осуществляется через одну из междуэлектродных емкостей лампы. Здесь уже два из трех сопротивлений X1, X2 и X3, входящих в общую схему трехточечного автогенератора, представляют собой эквивалентные сопротивления контуров, а одно из них является сопротивлением связывающей их междуэлектродной емкости.

Рис. 10-27. Двухконтурные автогенераторы со связью контуров через междуэлектродные емкости лампы:
a - генератор с общим катодом;
б - генератор с общей сеткой;
в - генератор с общим анодом.

Схем, построенных по такому принципу, можно предложить три (рис. 10-27). В генераторе, схема которого изображена на рис. 10-27, a, связь между контурами осуществляется через емкость Ca-c лампы. Оба контура имеют общую точку, соединенную с катодом; в соответствии с этим схема получила название генератора с общим катодом. Обычно, чтобы иметь возможность заземлить роторы конденсаторов настройки обоих контуров, общую точку заземляют; в этом случае схему называют генератором с заземленным катодом.

В генераторе на рис. 10-27, б связь между контурами осуществляется через емкость Ca-к лампы. По тому же признаку, что и в первом случае, эту схему называют генератором с общей (заземленной) сеткой.

Контуры в генераторе на рис. 10-27, в связываются через емкость Cc-к лампы. Эту схему называют генератором с общим (заземленным) анодом.

Остановимся несколько подробнее на свойствах таких генераторов, поскольку они исключительно широко распространены в технике радиопередающих и радиоприемных устройств.

Система двух связанных контуров, как было показано в гл. 3, обладает двумя собственными частотами (их также называют частотами связи): нижней и верхней. Найдем их из графического решения уравнения (10-35). Для этого построим на одном графике зависимости всех сопротивлений от частоты и просуммируем их. В гл. 2 было показано, что реактивное сопротивление параллельного контура уходит в бесконечность с разными знаками по обе стороны от резонансной частоты (см. рис. 2-39). Сопротивление же емкости связи монотонно убывает с частотой. Допустим, что один контур настроен на частоту 1.0, а второй - на частоту 2.0. Тогда ход реактивных сопротивлений элементов колебательной системы изобразится графиками, показанными на рис. 10-28.

Рис. 10-28. К определению резонансных частот двух контуров, связанных через емкость.

Ход зависимости суммарного сопротивления не трудно понять; при преобладающее значение имеет сопротивление емкости связи, стремящееся к бесконечности с отрицательным знаком, а при преобладающее значение будет иметь положительное сопротивление первого контура, уходящее в бесконечность. Следовательно, в области от 0 до 1.0 - частоты контура, настроенного на меньшую частоту, найдется такая частота н, при которой суммарное сопротивление пройдет через нуль; это определит нижнюю частоту связи. Аналогичные рассуждения позволяют заключить, что верхняя частота связи в, при которой суммарное сопротивление снова пройдет через нуль, лежит между собственными частотами контуров.

Теперь рассмотрим вопрос о том, какая из частот связи может возбудиться в двухконтурных генераторах. Для нижней частоты связи, лежащей ниже собственных частот обоих контуров, эквивалентные сопротивления последних имеют индуктивный характер. Для верхней же частоты связи, лежащей между собственными частотами контуров, эквивалентные сопротивления этих контуров имеют противоположный характер: у контура с меньшей собственной частотой - емкостный, а у контура с большей собственной частотой - индуктивный.

В схеме с общим катодом на месте сопротивлений X2 и X1 помещены контуры. Для выполнения фазовых условий самовозбуждения они должны иметь одинаковый знак. Следовательно, генератор может возбудиться на нижней частоте связи и не может возбудиться на верхней. Генератор возбуждается при этом по эквивалентной схеме индуктивного трехточечного генератора.

В схеме с общей сеткой роль сопротивления X1 выполняет емкость Cа.к, следовательно, контур, помещенный на месте сопротивления X2, должен быть эквивалентен емкости, что возможно, если частота связи, на которой происходит самовозбуждение, лежит выше его собственной частоты. Для этого генератор должен возбудиться на верхней частоте связи и контур, включенный на месте X2 (между сеткой и катодом лампы), должен быть настроен на частоту ниже частоты второго контура, стоящего между анодом и сеткой. Генератор работает при этом по эквивалентной схеме емкостного трехточечного генератора.

В генераторе с общим анодом на месте сопротивления X2 помещена емкость Cс.к, следовательно, эквивалентное сопротивление контура X1 должно иметь емкостный характер. Это возможно, если генератор возбуждается на верхней частоте связи и контур, включенный между анодом и катодом лампы, настроен на более низкую частоту, чем контур, включенный между анодом и сеткой. Генератор в этом случае возбуждается по эквивалентной схеме емкостного трехточечного генератора.

Теперь возникает вопрос: как следует регулировать схемы, чтобы добиться желаемого разделения функций между контурами. В генераторе с общим катодом основная мощность выделяется в контуре, включенном между анодом и катодом лампы, поэтому его следует связывать с нагрузкой. При этом схему надо отрегулировать так, чтобы частоту в основном определял другой контур (между катодом и сеткой), в котором выделяется малая мощность.

Очевидно, что на частоту связи оказывает основное влияние тот контур, который в наименьшей степени расстроен относительно нее. В этом случае частота лежит в области резких изменений эквивалентного сопротивления Xэ() данного контура, и перестройка его, как показывает выражение (10-35), в наибольшей степени изменит сумму реактивных сопротивлений всей системы, которая и определяет частоту. Это можно также уяснить из графиков на рис.10-29, где показано изменение частоты генерации сильно (рис.10-29,а) и слабо (рис.10-29,б) расстроенными контурами при одинаковом смещении их резонансных частот .

Рис. 10-29. Влияние перестройки контуров на нижнюю частоту связи системы двух связанных через емкость контуров:
а - перестраивается контур, настроенный на более высокую частоту;
б - перестраивается контур, настроенный на более низкую частоту.

Поскольку в генераторе с общим катодом возбуждается нижняя частота связи, то катодно-сеточный контур следует настраивать на частоту более низкую, чем анодно-катодный. Чем больше взаимная расстройка этих контуров, тем меньше влияние анодно-катодного контура на частоту, но тем меньше и мощность, которая выделяется в нем.

В генераторе с общей сеткой также было бы желательно, чтобы частоту определял катодно-сеточный контур, поскольку в анодно-сеточном контуре выделяется основная мощность и его нужно связывать с нагрузкой. Однако, как будет показано далее, этот контур в данной схеме, шунтируемый малым входным сопротивлением лампы, оказывается низкодобротным и не может стабилизировать частоту генерации. Следовательно, в генераторе с общей сеткой не удается осуществить разделение функций между контурами, вследствие чего эта схема не применяется для получения высокой стабильности частоты.

В генераторе с общим анодом, где основная мощность выделяется в анодно-катодном контуре и возбуждается верхняя частота связи, желательно, чтобы частоту определял анодно-сеточный контур. Последнее достигается, если он настроен на более высокую частоту, чем анодно-катодный контур. Это согласуется с полученными выше условиями самовозбуждения.

Таким образом, мы убедились, что две из трех двухконтурных схем позволяют в значительной мере решить задачу о разделении функций между контурами и получить более высокую стабильность частоты, чем ее могут дать одноконтурные автогенераторы.

Проведенное выше рассмотрение процесса самовозбуждения ламповых генераторов позволяет нам обратиться теперь к очень важному вопросу об устойчивости усиления генераторов с внешним возбуждением.

Если сравнить схемы генератора с внешним возбуждением (рис. 10-2, а) и автогенератора с общим катодом (рис. 10-27, а) и учесть наличие междуэлектродных емкостей лампы, то легко увидеть, что они не отличаются друг от друга. Это говорит о том, что при достаточной емкости Ca.c, связывающей анодную и сеточную цепи, большом усилении и определенной взаимной расстройке этих цепей могут создаваться условия для самовозбуждения генератора на частоте, отвечающей условию (10-35).

Вероятность возникновения автоколебаний, очевидно, тем больше, чем больше усиление генератора, так как тем меньше нужна при этом обратная связь для получения баланса энергий. Поэтому на практике и наблюдается, что по мере увеличения усиления вдруг наступает нарушение нормального режима работы генератора с внешним возбуждением и он переходит в режим автоколебаний. Тогда говорят, что генератор вышел из состояния устойчивого усиления ("потерял устойчивость").

Очевидно, что для устранения этого явления следует всемерно уменьшать обратную связь через междуэлектродные емкости лампы. Эта задача решается в первую очередь применением в схеме четырехэлектродной лампы (тетрода), у которой между анодом и управляющей (первой) сеткой помещена экранирующая сетка. Последняя по высокой частоте через конденсатор достаточно большой емкости соединяется с катодом (рис. 10-30). Она экранирует анодную цепь от сеточной, и токи высокой частоты, вызванные напряжением на контуре, замыкаются через нее, а не через цепь управляющей сетки.

Рис. 10-30. Устранение паразитной емкостной связи анодной и сеточной цепей в тетродах.

В настоящее время созданы тетроды, позволяющие производить устойчивое усиление вплоть до волн длиной 30-20 см. Однако на более коротких волнах и при большой мощности генераторов из-за ряда конструктивно-технологических трудностей тетроды пока не используются. В этих случаях для получения устойчивого усиления триодных генераторов М.Л.Бонч-Бруевич предложил включать лампу по схеме с общей сеткой (рис. 10-31), в которой управляющая сетка играет роль экрана, разделяющего входную и выходную цепи. При таком включении обратная связь осуществляется через емкость Cа.к, которая в десятки и сотни раз меньше емкости Cа.с. Усилители с общей сеткой нашли самое широкое распространение в диапазонах коротких и ультракоротких волн.

Рис. 10-31. Триодный усилитель с общей сеткой.

Рассмотрим основные особенности усилителя с общей сеткой. Эти особенности являются следствием того, что в отличие от усилителя с общим катодом здесь через входную цепь протекает не только сеточный, но и анодный ток лампы (рис. 10-31), который во много раз больше сеточного. Поэтому мощность возбуждения этого усилителя

(10-42)

намного больше мощности возбуждения усилителя с общим катодом. Первое слагаемое этого выражения представляет собой дополнительную мощность возбуждения по сравнению с мощностью возбуждения генератора с общим катодом.

Однако не следует думать, что эта мощность теряется бесполезно. Согласно правилу Кирхгофа для замкнутой цепи можно, пользуясь обозначениями на рис. 10-31, написать:

(10-43)

Знаки этих напряжений зависят от способа их отсчета. Если принять за напряжение Uа.с падение напряжения на нагрузочном контуре:

(10-44)

то оно будет возрастать при положительном напряжении Uс.к между сеткой и катодом. Примем за положительное направление обхода направление протекания анодного тока. Нетрудно видеть, что напряжения Uа.с и Uс.к действуют навстречу друг другу (рис. 10-31), т.е. противофазно. Следовательно, из уравнения (10-43) мы получим:

(10-45)

Мощность в анодно-сеточном контуре

(10-46)

Здесь первое слагаемое представляет собой мощность, отдаваемую лампой в нагрузку, а второе - ту добавочную мощность, которую потребляет схема от возбудителя. Следовательно, эта добавочная мощность передается от возбудителя на выход усилителя.

Большая мощность возбуждения является причиной значительного снижения коэффициента усиления по мощности, который обычно лежит в пределах от 6 до 20. Увеличение же тока во входной цепи приводит к уменьшению входного сопротивления генератора

(10-47)

которое измеряется десятками или сотнями ом по сравнению с тысячами ом в схеме с общим катодом. Последнее полезно при построении широкополосных усилителей. Это же позволяет питать входную цепь через низкоомные коаксиальные фидеры.

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
ВСЕГДА ВЫРУЧИТ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО от одной батарейки!

Вы не останетесь без связи в самый нужный момент - в качестве источника энергии выступит обычная батарейка типа АА...

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