ГЕНЕРАТОРЫ
Ламповый генератор синусоидальных колебаний
Переменные токи высокой частоты получают от ламповых генераторов. Главными элементами генератора являются электронная лампа и колебательный контур.
При напряжении UCм на зажимах конденсатора в его электрическом поле сосредоточена энергия WCм =CU2См/2
При замыкании такого конденсатора (рис. 13-51) на индуктивную катушку, активным сопротивлением которой можно пренебречь, начнется разряд конденсатора и в цепи возникнет ток. При этом напряжение на конденсаторе уменьшается и энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля катушки, а ток в цепи увеличивается. В момент окончания разряда конденсатора, когда напряжение на нем уменьшится до нуля (Uc = 0), энергия электрического поля полностью перейдет в энергию магнитного поля, которая достигнет своего максимума
WLм = LI2м/2 = WСм
в соответствии с максимумом тока в цепи.
Рис. 13.51. Колебательный контур.
Достигнув максимума, ток будет уменьшаться, проходя в том же направлении, так как э. д. с. самоиндукции имеет положительное значение eL = — L(di/dt). Ток того же направления (указан стрелкой, рис. 13-51) вызывает накопление положительных зарядов на пластине, бывшей ранее отрицательной, и отрицательных зарядов на пластине, бывшей ранее положительной (верхней).
Этот процесс перезарядки конденсатора продолжится до тех пор, пока вся энергия контура не сосредоточится в электрическом поле, а напряжение на конденсаторе не достигнет прежнего максимума, но с обратным знаком. Зарядившись, конденсатор начнет разряжаться, но только в обратном направлении, затем снова заряжаться и т. д.
Таким образом, в контуре LC энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля и наоборот, т. е. в цепи происходят незатухающие колебания энергии, отсюда и название ее колебательный контур. Ток и напряжение в рассматриваемой цепи изменяются синусоидально. Напряжение на конденсаторе в произвольный момент времени равно э. д. с. самоиндукции и сдвинуто по фазе относительно тока на четверть периода.
Подставив выражение амплитуды тока Iм = UCмωC в уравнение энергии WLm = LI2м/2, получим:
WLm = (LU2CмωC2)/2 = (CU2Cм)/2 = WCм
откуда найдем угловую частоту собственных колебаний контура
ω0 = 1/√(LC)
Амплитуда тока
Iм = UCмωC = UCм(1/√(LC))C = UCм/√(L/C)
Величину √(L/C) принято называть волновым сопротивлением контура.
Если цепь LC имеет активное сопротивление r, не превышающее удвоенного волнового сопротивления, то в контуре также возникает колебательный процесс, но в этом случае при каждом колебании часть электрической энергии превращается в тепло и поэтому амплитуды тока и напряжения с каждым полупериодом уменьшаются и колебательный процесс затухает.
При необходимости получить незатухающие колебания в контуре LC с активным сопротивлением необходимо сообщать контуру энергию, равную тепловым потерям в активном сопротивлении. Если, кроме того, часть энергии отдается контуром в цепь нагрузки, то такое же количество энергии необходимо доставить контуру.
В ламповом генераторе энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию переменного тока высокой частоты, которая определяется параметрами контура (L, С). Электронная лампа в этом процессе преобразования энергии является регулятором, при посредстве которого энергия периодически вводится в колебательный контур, откуда она передается в нагрузочную цепь.
Одна из схем лампового генератора дана на рис. 13-52.
При включении на зажимы «+» и «—» лампового генератора источника постоянного тока конденсатор С колебательного контура зарядится до напряжения UCм. После этого конденсатор начнет разряжаться на катушку L колебательного контура и в контуре возникнут колебания с собственной частотой ω0 = 1/√(LC). Катушка обратной связи L1 соединена с сеткой лампы, поэтому напряжение на сетке будет определяться индуктированной в катушке L1 э. д. с, имеющей частоту ω0. Таким образом, в анодной цепи лампы возникнет пульсирующий ток ia (рис. 13-44), характер которого зависит от напряжения смещения Eс. Постоянная слагающая этого тока Iа0 не может пройти в колебательный контур, так как этому мешает разделительный конденсатор Ср, и она проходит через источник питания и разделительную катушку Lp. Переменная слагающая анодного тока Iа. м sin ω0t при высокой частоте не может пройти в источник питания из-за большого реактивного сопротивления разделительной катушки ω0Lp, и она проходит через колебательный контур. Так как она совпадает по фазе с напряжением колебательного контура, то она обеспечивает периодическую передачу энергии этому контуру,
Рис. 13-52. Схема лампового генератора.
Цепь нагрузки состоит из потребителя П (рис. 13-52) и катушки L2, индуктивно связанной с катушкой L колебательного контура. Таким образом, энергия из колебательного контура к потребителю передается через посредство магнитного потока, пронизывающего катушки L2 и L.
Генераторы с кривой пилообразного напряжения
В некоторых устройствах, например в электронных осциллографах, необходимо иметь напряжение, кривая которого имеет пилообразную форму (рис. 13-53).
Рис. 13-53. Кривая пилообразного напряжения.
Кривая должна иметь нарастающую часть возможно близкой к прямой линии, возможно большую крутизну спадающей части и возможность широкого регулирования длительности периода зуба или соответственно частоты пилообразного напряжения.
Одна из возможных схем генератора с пилообразным напряжением дана на рис. 13-54.
Рис. 13-54. Схема генератора пилообразного напряжения.
После включения постоянного напряжения на входные зажимы генератора конденсатор С будет заряжаться через сопротивления R и R ‘. При этом напряжение на зажимах конденсатора и на цепи лампы-увеличивается по кривой Оаб до величины зажигания тиратрона (точка б кривой рис. 13-53). С этого момента конденсатор быстро разряжается через тиратрон, так как при зажигании тиратрона его сопротивление уменьшается до незначительной величины и сопротивление цепи тиратрона становится во много раз меньше сопротивлений R и R ‘. Разряд конденсатора и уменьшение напряжения на его зажимах происходит очень быстро и продолжается до тех пор, пока тиратрон не погаснет (точка а’ кривой рис. 13-53). После этого конденсатор снова начнет заряжаться, а напряжение на его зажимах увеличиваться (кривая а б’) и т. д.
Из изложенного следует, что напряжение Uвых на выходных зажимах генератора будет изменяться пилообразно (кривая а, б, а’, б‘, а», б»» и т. д.).
Изменяя потенциал сетки тиратрона,можно регулировать напряжение зажигания тиратрона, а следовательно, и величину пилообразного напряжения. Частоту пилообразного напряжения регулируют изменением сопротивления R’ и изменением емкости конденсатора С.
Так как процесс ионизации и деионизации в тиратроне требует некоторого времени, то генераторы на тиратронах применяютcя для получения пилообразного напряжения частотой не выше 50 кгц. Для получения напряжения более высокой частоты применяют генераторы на электронных лампах.
Мультивибраторы
За последнее время расширяется применение импульсной техники и различных импульсных генераторов. Мультивибратор— это электронный генератор импульсов напряжения прямоугольной формы.
На рис. 13-55 дана одна из схем мультивибратора.
В симметричном мультивибраторе применяются одинаковые лампы, одинаковые сеточные сопротивления r1=r2, одинаковые конденсаторы С1 — С2 и анодные сопротивления ra1=ra2.
Рис. 13-55. Симметричный мультивибратор.
В начальный момент времени t0 (рис 13-56) лампа Л2 открыта, лампа Л1 заперта, так как отрицательное сеточное напряжение Uc1 велико. Анодное напряжение на первой лампе Ua1 примерно равно напряжению источника питания Uа, так как падение напряжения на сопротивлении rа1, вызванное зарядным током конденсатора С1, незначительно. Конденсатор С1 заряжается через сопротивления rа1 и r2 под действием напряжения Uа источника постоянного тока.
Ток, заряжающий конденсатор С1 создает на сопротивлении r2 положительное сеточное напряжение Uс2, ири котором лампа Л2 открыта. Одновременно конденсатор С2 разряжается через лампу Л2 и сопротивление r1. Разрядный ток этого конденсатора вызывает на сопротивлении r1 большое падение напряжения Ucl, запирающее лампу Лl. При разряде конденсатора С2 напряжение Ucl на сетке лампы Лl уменьшается и в момент времени tl становится таким, при котором лампа Лl отпирается, а лампа Л2 запирается. При этом анодное напряжение Uа1 быстро падает.
С момента t1 конденсатор С2 начнет заряжаться через сопротивления rа2 и r1, зарядный ток создает положительное напряжение на сетке лампы Л1, которая до момента t2 будет открыта. В то же время конденсатор С1 начнет разряжаться через сопротивление r2 и открытую лампу Л1, вызывая падение напряжения Uс2, запирающее лампу Л2.
В момент t1 анодное напряжение Uа2 скачком возрастает до величины, близкой к напряжению источника питания Ua.
В момент t2 напряжение Uc2 уменьшится до величины, при которой лампа Л2 откроется, а лампа Л1 запрется и, следовательно, напряжение Uа1 скачком возрастет, а напряжение Ua2 — упадет. После этого процесс начнет повторяться.
Рис. 13-56. Графики напряжений мультивибратора.
Периодическое отпирание и запирание ламп приводит к получению на выходе каждой лампы примерно прямоугольных импульсов напряжения.
Частоту мультивибратора можно регулировать, изменяя сопротивления r1 и r2 или емкости С1 и С2 или, наконец, величину сеточного напряжения.
Статья на тему Генератор синусоидальных колебаний