Генератор (ламповый) электрических колебаний

трение гук генератор Вынужденные электрические колебания, которые мы до сих пор рассматривали, возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.

Колебания высокой частоты получают с помощью других устройств, одним из которых является ламповый генератор. Он назван так потому, что одной из его основных частей является трёхэлектродная электронная лампа — триод.

Ламповый генератор представляет собой автоколебательную систему, в которой возбуждаются незатухающие колебания за счёт энергии источника постоянного напряжения, например, батареи гальванических элементов или выпрямители. В этом отношении ламповый генератор подобен часам, в которых незатухающие колебания маятника поддерживаются за счёт энергии поднятой гири или сжатой пружины.

Ламповый генератор содержит колебательный контур, состоящий из катушки с индуктивность L и конденсатора ёмкостью C. Известно, что если конденсатор зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно посредством подзарядки конденсатора контура. Для этого контур периодически подключают на некоторый промежуток времени к источнику постоянного напряжения. Если в течение промежутка ключ замкнут, то при подзарядке конденсатора электрическое поле зарядов на его обкладках совершает отрицательную работу и энергия конденсатора увеличивается (если внутренние силы совершают отрицательную работу, то потенциальная энергия системы увеличивается).

Рисунок 1 Колебательный контур Если же в течение промежутка времени, когда ключ замкнут, то электрическое поле зарядов, имеющихся на обкладках конденсатора, будет совершать положительную работу. Энергия конденсатора при этом уменьшается; Конденсатор частично разряжается.

Следовательно, источник постоянного напряжения, всё время подключенный к контуру, не может поддерживать в нём затухающие колебания. Половину периода энергия будет поступать в контур, а в следующую половину периода уходить их него.

Но если с помощью ключа подключить источник тока к колебательному контуру или в те полупериоды, когда происходит передача энергии в контур (смотреть рисунок 1), то установятся незатухающие колебания. Понятно, что для этого необходимо обеспечивать автоматическую работу ключа (или клапаны, как его часто называют). Поскольку речь идёт о колебаниях очень высокой частоты, то ключ должен обладать огромным быстродействием. В качестве такого, практически безинерциального ключа используют триод. Т.к. замыкание и размыкание анодной цепи изменение потенциала на сетке происходит очень быстро (до миллионов раз в секунду). Электромагнитное реле действует гораздо медленнее благодаря его значительной инерции и на высоких частотах не может. Электронная лампа как реле практически не обладает инерцией на частотах не выше 100 МГц.

При замыкании ключа возникает анодный ток, который заряжает конденсатор колебательного контура. В контуре начинаются свободные затухающие колебания. Переменный ток, проходящий через катушку L, индуцирует переменное напряжение в сеточной катушке Lc. Оно подаётся на сетку и вызывает пульсации анодного тока. В анодном токе появляется переменная составляющая. Генератором этого переменного тока является сама лампа, так же и в любой усилительной ступени. Переменная составляющая анодного тока, проходя через контур LC, создаёт в нём переменное напряжение. Это напряжение есть усиленное лампой переменное напряжение сетки, т.к. контур представляет собой нагрузочное сопротивление для лампы. Частота переменного напряжения сетки равна частоте собственных колебаний контура, следовательно, и переменная составляющая анодного тока имеет такую же частоту. Поэтому в анодном контуре автоматически будет всегда резонанс токов и контур для переменной составляющей анодного тока представляет большое сопротивление.

Чтобы колебания, начавшиеся в контуре после замыкания анодной цепи, не затухали, а поддерживались переменной составляющей анодного тока и превратились в незатухающие, необходимо, чтобы усиленное напряжение, созданное на контуре LC переменной составляющей анодного тока, совпало по фазе с напряжением свободных колебаний контуре. В противном случае начавшиеся колебания затухнут ещё быстрее и самовозбуждения не будет.

Это можно пояснить следующим примером. Если совершает свободные колебания тяжёлый маятник (например, качели), то для поддерживания колебаний и превращения их в незатухающие нужно подталкивать маятник не только с частотой, равной его собственной частоте, но и так, чтобы фазы внешней подталкивающей силы совпадали с фазой колебания маятника. А если не соблюдать надлежащего соотношения фаз колебаний, например, толкать маятник в направлении противоположном его собственному движению, то он быстро остановиться.

Правильная фаза обратной связи достигается соответствующим включением концов катушек L и Lc. На практике при отсутствии самовозбуждения в генераторе с индуктивной обратной связью меняет местами концы сеточной катушки Lc и тогда, как правило, возникает генерация колебаний, если только в схеме нет других неисправностей. При правильном включении катушек переменные напряжения на сетке и на аноде лампы противоположны по фазе. Это легко понять из следующих соображений. Когда в контуре возникали колебания и в течение первой четверти периода конденсатор разрядился на катушку, произошла потеря части энергии в активном сопротивлении. В течение следующей четверти периода, когда конденсатор заряжается под влиянием ЭДС самоиндукции катушки, эта потеря должна быть скомпенсирована переменной составляющей анодного тока лампы. Если, например, в течение этой четверти периода обкладка конденсатора, соединённая с анодом, заряжается отрицательно, т. е. на аноде переменное напряжение имеет знак минус, то анодный ток должен иметь положительную полуволнут.е. должно быть возрастание тока для того, чтобы новые электроны пришли на на верхнюю обкладку конденсатора и увеличили напряжение на нём до прежнего значения. Но для увеличения анодного тока на сетке должна быть положительная полуволнапеременного напряжения, противоположная по фазе переменному напряжению на аноде.

Кроме такого сдвига фаз. Необходимо, чтобы обратная связь была не слишком малой величины. Если она будет слабой, то переменное напряжение на сетке создаст слишком малую переменную составляющую анодного тока, энергия которой будет недостаточна для компенсации потерь в контуре.

Таким образом, условия самовозбуждения лампового генератора следующие:

• 1) Переменные напряжения на аноде и на сетке должны быть сдвинуты по фазе на 180є
• 2) Обратная связь должна иметь достаточную величину.

По принципу работы ламповый генератор с самовозбуждением мало отличается от усилительной ступени. Колебания, возникшие в контуре, с помощью обратной связи подаются на сетку лампы, усиленное переменное напряжение получается на контуре и снова поступает через обратную связь на сетку лампы, снова усиливается и т. д. Амплитуда колебаний постепенно возрастает, пока не доходит до некоторого предела.

Рисунок 2 Ламповый генератор колебаний.