Ламповые генераторы вч колебаний в радиолюбительской практике. Изучение работы простейшего лампового генератора электромагнитных колебаний

Юным радиолюбителям посвящается…

Предисловие

Радиосигнал, однажды сгенерированный, уносится в глубь Вселенной со скоростью света… Эта фраза, прочитанная в журнале «Юный техник» в далеком детстве произвела на меня очень сильное впечатление и уже тогда я твердо решил, что обязательно пошлю свой сигнал нашим «братьям по разуму», чего бы мне это не стоило. Но путь, от желания до воплощения мечты долог и непредсказуем…

Когда я только начинал заниматься радиоделом, мне очень хотелось построить портативную радиостанцию. В то время я думал, что она состоит из динамика, антенны и батарейки. Стоит только соединить их в правильном порядке и можно будет разговаривать с друзьями где-бы они не находились… Я изрисовал не одну тетрадку возможными схемами, добавлял всевозможные лампочки, катушки и проводки. Сегодня эти воспоминания вызывают у меня лишь улыбку, но тогда мне казалось, что еще чуть-чуть и чудо-устройство будет у меня в руках…

Я помню свой первый радиопередатчик. В 7 классе я ходил в кружок спортивной радиопеленгации (т.н. охоты на лис). В один из прекрасных весенних дней наша последняя «лиса» — приказала долго жить. Руководитель кружка, недолго думая, вручил мне её со словами — «… ну, ты там её почини…». Я наверное был страшно горд и счастлив, что мне доверили столь почетную миссию, но мои знания электроники на тот момент не дотягивали до «кандидатского минимума». Я умел отличать транзистор от диода и приблизительно представлял как они работают по отдельности, но как они работают вместе — для меня это было загадкой. Придя домой, я с благоговейным трепетом вскрыл небольшую металлическую коробочку. Внутри неё оказалась плата, состоящая из мультивибратора и генератора РЧ на транзисторе П416. Для меня это была вершина схемотехники. Самой загадочной деталью в данном устройстве была катушка задающего генератора (3,5МГц.), намотанная на броневом сердечнике. Детское любопытство пересилило здравый смысл и острая металлическая отвертка впилась в броневой кожух катушки. «Хрясь» — раздался хруст и кусок броневого корпуса катушки, со стуком упал на пол. Пока он падал, мое воображение уже нарисовало картину моего расстрела руководителем нашего кружка…

У этой истории был счастливый конец, правда случился он через месяц. «Лису» я все-таки починил, хотя точнее сказать — сделал её заново. Плата радиомаяка, сделанная из фольгированного гетинакса, не выдержала пыток моим 100 ваттным паяльником, дорожки отслоились от постоянной перепайки деталей… Пришлось плату делать заново. Спасибо моему папе, что принес (достал где-то с большим трудом) фольгированный гетинакс, а маме — за дорогой французский красный лак для ногтей, который я использовал для рисования платы. Новый броневой сердечник мне достать не удалось, но зато удалось аккуратно склеить старый клеем БФ… Отремонтированный радиомаяк радостно послал в эфир свое слабое «ПИ-ПИ-ПИ», но для меня это было сравни запуску первого искусственного спутника Земли, возвестившего человечеству о начале космической эры таким-же прерывистым сигналом на частоте 20 и 40 МГц. Вот такая история…

Схема устройства

В мире существует огромное количество схем генераторов, способных генерировать колебания различной частоты и мощности. Обычно, это достаточно сложные устройства на диодах, лампах, транзисторах или других активных элементах. Их сборка и настройка требует некоторого опыта и наличия дорогих приборов. И чем выше частота и мощность генератора, тем сложнее и дороже нужны приборы, тем опытнее должен быть радиолюбитель в данной теме.

Но сегодня, мне бы хотелось рассказать о достаточно мощном генераторе ВЧ, построенном всего на одном транзисторе. Причем работать этот генератор может на частотах до 2ГГц и выше и генерировать достаточно большую мощность — от единиц до десятков ватт, в зависимости от типа применяемого транзистора. Отличительной особенностью данного генератора, является использование симметричного дипольного резонатора, своеобразного открытого колебательного контура с индуктивной и емкостной связью. Не стоит пугаться такого названия — резонатор представляет собой две параллельные металлические полоски, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга.

Свои первые опыты с генераторами подобного вида я проводил ещё в начале 2000-х годов, когда для меня стали доступны мощные ВЧ-транзисторы. С тех пор я периодически возвращался к этой теме, пока в середине лета на сайте VRTP.ru не возникла тема по использованию мощного однотранзисторного генератора в качестве источника ВЧ-излучения для глушения бытовой техники (музыкальных центров, магнитол, телевизоров) за счет наведения модулированных ВЧ-токов в электронных схемах этих устройств. Накопленный материал и лег в основу данной статьи.

Схема мощного генератора ВЧ, достаточно проста и состоит из двух основных блоков:

1. Непосредственно сам автогенератор ВЧ на транзисторе;
2. Модулятор — устройство для периодической манипуляции (запуска) генератора ВЧ сигналом звуковой (любой другой) частоты.

Детали и конструкция

«Сердцем» нашего генератора является высокочастотный MOSFET-транзистор . Это достаточно дорогостоящий и мало распространенный элемент. Его можно купить за приемлемую цену в китайских интернет-магазинах или найти в высокочастотном радиооборудовании — усилителях/генераторах высокой частоты, а именно, в платах базовых станций сотовой связи различных стандартов. В своем большинстве эти транзисторы разрабатывались именно под данные устройства.
Такие транзисторы, визуально и конструктивно отличаются от привычных с детства многим радиолюбителям КТ315 или МП38 и представляют собой «кирпичики» с плоскими выводами на мощной металлической подложке. Они бывают маленькие и большие в зависимости от выходной мощности. Иногда, в одном корпусе располагаются два транзистора на одной подложке (истоке). Вот как они выглядят:

Линейка внизу, поможет вам оценить их размеры. Для создания генератора могут быть использованы любые MOSFET-транзисторы. Я пробовал в генераторе следующие транзисторы: MRF284, MRF19125, MRF6522-70, MRF9085, BLF1820E, PTFA211801E — все они работают. Вот как данные транзисторы выглядят внутри:

Вторым, необходимым материалом для изготовления данного устройства является медь . Необходимы две полоски данного металла шириной 1-1,5см. и длинной 15-20см (для частоты 400-500 МГц). Можно сделать резонаторы любой длинны, в зависимости от желаемой частоты генератора. Ориентировочно, она равна 1/4 длинны волны.
Я использовал медь, толщиной 0,4 и 1 мм. Менее тонкие полоски — будут плохо держать форму, но в принципе и они работоспособны. Вместо меди, можно использовать и латунь . Резонаторы из альпака (вид латуни) тоже успешно работают. В самом простом варианте, резонаторы можно сделать из двух кусочков проволоки, диаметром 0,8-1,5 мм.

Помимо ВЧ-транзистора и меди, для изготовления генератора понадобится микросхема 4093 — это 4 элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта на входе. Её можно заменить на микросхему 4011 (4 элемента 2И-НЕ) или её российский аналог — К561ЛА7 . Также можно использовать другой генератор для модуляции, например, собранный на таймере 555 . А можно вообще исключить из схемы модулирующую часть и получить просто ВЧ-генератор.

В качестве ключевого элемента применен составной p-n-p транзистор TIP126 (можно использовать TIP125 или TIP127, они отличаются только максимально допустимым напряжением). По паспорту он выдерживает 5А, но очень сильно греется. Поэтому необходим радиатор для его охлаждения. В дальнейшем, я использовал P-канальные полевые транзисторы типа IRF4095 или P80PF55 .

Сборка устройства

Устройство может быть собрано как на печатной плате, так и навесным монтажом с соблюдением правил для ВЧ-монтажа. Топология и вид моей платы приведены ниже:

Эта плата рассчитана на транзистор типа MRF19125 или PTFA211801E . Для него прорезается отверстие в плате, соответствующее размеру истока (теплоотводящей пластины).
Одним из важных моментов сборки устройства является обеспечение теплоотвода от истока транзистора. Я применил различные радиаторы, подходящие по размеру. Для кратковременных экспериментов — таких радиаторов достаточно. Для долговременной работы — необходим радиатор достаточно большой площади или применение схемы обдува вентилятором.
Включение устройства без радиатора, чревато быстрым перегревом транзистора и выходом из строя этого дорогостоящего радиоэлемента.

Для экспериментов, мною были изготовлены несколько генераторов по разные транзисторы. Также я сделал фланцевые крепления полосковых резонаторов, чтобы можно было их менять без постоянного нагрева транзистора. Представленные ниже фотографии помогут вам разобраться в деталях монтажа.

Запуск устройства

Перед запуском генератора, необходимо еще раз проверить правильность его соединений, чтобы у вас не образовалась весьма не дешёвая кучка транзисторов с надписью «Сгорел».


Первый запуск, желательно производить с контролем потребляемого тока. Этот ток, можно ограничить до безопасного уровня использовав резистор на 2-10 Ом в цепи питания генератора (коллектор или сток модулирующего транзистора).
Работу генератора можно проверить различными приборами: поисковым приемником, сканером, частотомером или просто энергосберегающей лампой. ВЧ-излучение, мощностью более 3-5 Вт, заставляет её светиться.

ВЧ-токи легко нагревают некоторые материалы вступающие с ними в контакт в т. ч. и биологические ткани. Так, что будьте осторожны, можно получить термический ожог прикоснувшись к оголенным резонаторам (особенно при работе генераторов на мощных транзисторах). Даже небольшой генератор на транзисторе MRF284, при мощности всего около 2-х ватт — легко сжигает кожу рук, в чем вы можете убедиться на этом видео:

При некотором опыте и достаточной мощности генератора, на конце резонатора, можно зажечь т.н. «факел» — небольшой плазменный шарик, который будет подпитываться ВЧ-энергией генератора. Для этого достаточно просто поднести зажженную спичку к острию резонатора.

Т.н. «факел» на конце резонатора.

Помимо этого, можно зажечь ВЧ-разряд между резонаторами. В некоторых случаях, разряд напоминает крошечную шаровую молнию хаотично перемещающуюся по всей длине резонатора. Как это выглядит вы можете увидеть ниже. Несколько увеличивается потребляемый ток и во всем доме «гаснут» многие каналы эфирного телевидения))).

Применение устройства

Помимо этого, наш генератор может быть применен для изучения воздействия ВЧ-излучения на различные устройства, бытовую аудио и радиоаппаратуру с целью изучения их помехоустойчивости. Ну и конечно, с помощью данного генератора можно послать сигнал в космос, но это уже другая история…

P.S. Не следует путать этот ВЧ-автогенератор с различными EMP-jammers. Там генерируются импульсы высокого напряжения, а наше устройство генерирует излучение высокой частоты.

Высокочастотные генераторы служат для образования колебаний электрического тока в интервале частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Такие устройства создают с применением контуров колебаний LС или резонаторов на кварцах, которые являются элементами задания частоты. Схемы работы остаются такими же. В некоторых цепях контуры гармонических колебаний заменяются .

Генератор ВЧ

Устройство для остановки электросчетчика энергии служит для питания электроприборов бытового назначения. Его выходное напряжение 220 вольт, потребляемая мощность 1 киловатт. Если в приборе применить составляющие элементы с характеристиками мощнее, то от него можно запитывать более мощные устройства.

Такой прибор включается в розетку бытовой сети, от него идет питание на нагрузку потребителей. Схема электрических проводов не подвергается каким-либо изменениям. Систему заземления подключать нет необходимости. Счетчик при этом работает, но учитывает примерно 25% энергии сети.

Действие устройства остановки в подключении нагрузки не к питанию сети, а к конденсатору. Заряд этого конденсатора совпадает с синусоидой напряжения сети. Заряд происходит высокочастотными импульсами. Ток, который расходуется потребителями из сети, состоит из высокочастотных импульсов.

Счетчики (электронные) имеют преобразователь, который не чувствителен к высоким частотам. Поэтому, расход энергии импульсного вида счетчик учитывает с отрицательной погрешностью.

Схема прибора

Главные составляющие элементы прибора: выпрямитель, емкость, транзистор. Конденсатор подключен по последовательной цепи с выпрямителем, когда выпрямитель производит работу на транзистор, заряжается в данный момент времени до размера напряжения линии питания.

Зарядка осуществляется частотными импульсами 2 кГц. На нагрузке и емкости напряжение близко к синусу на 220 вольт. Для ограничения тока транзистор в период заряда емкости, предназначен резистор, подключенный с каскадом ключа по последовательной схеме.

Генератор выполнен на логических элементах. Он образует импульсы 2 кГц с амплитудой на 5 вольт. Сигнальная частота генератора определена свойствами элементов С2-R7. Такие свойства могут использоваться для настройки максимальной погрешности учета расхода энергии. Создатель импульсов выполнен на транзисторах Т2 и Т3. Он предназначен для управления ключом Т1. Создатель импульсов рассчитан так, что транзистор Т1 начинает насыщаться в открытом виде. Поэтому на нем расходуется небольшая мощность. Транзистор Т1 тоже закрывается.

Выпрямитель, трансформатор и остальные элементы создают блок питания низкой стороны схемы. Такой блок питания работает на 36 В для микросхемы генератора.

Сначала делают проверку блока питания отдельно от схемы с низким напряжением. Блок должен создавать ток выше 2-х ампер и напряжение 36 вольт, 5 вольт для генератора с малой мощностью. Далее делают наладку генератора. Для этого отключают силовую часть. От генератора должны идти импульсы размером 5 вольт, частотой 2 килогерца. Для настройки выбирают конденсаторы С2 и С3.

Создатель импульсов при проверке должен выдавать импульсный ток на транзисторе около 2 ампер, иначе транзистор выйдет из строя. Для проверки такого состояния включают шунт, при выключенной силовой схеме. Напряжение импульсов на шунте измеряют осциллографом на работающем генераторе. Основываясь на расчете, вычисляют значение тока.

Далее, проверяют силовую часть. Восстанавливают все цепи по схеме. Конденсатор отключают, вместо нагрузки применяют лампу. При подключении прибора напряжение при нормальной работоспособности прибора должно равняться 120 вольт. На осциллографе видно напряжение нагрузки импульсами с частотой, определенной генератором. Импульсы модулируются синусом напряжения сети. На сопротивлении R6 – импульсами выпрямленного напряжения.

При исправности устройства включают емкость С1, в результате напряжение повышается. При дальнейшем повышении размера емкости С1 доходит до 220 вольт. Во время этого процесса нужно контролировать температуру транзистора Т1. При сильном нагревании на небольшой нагрузке возникает опасность, что он не вошел в режим насыщения или не осуществилось полное закрытие. Тогда нужно сделать настройку создания импульсов. На практике такого нагрева не наблюдается.

В итоге, подключается нагрузка по номиналу, определяется емкость С1 такого значения, чтобы создать для нагрузки напряжение 220 вольт. Емкость С1 выбирают осторожно, с небольших значений, потому что повышение емкости резко повышает ток транзистора Т1. Амплитуду токовых импульсов определяют, если подключить осциллограф к резистору R6 по параллельной схеме. Импульсный ток не поднимется выше допускаемого для определенного транзистора. Если нужно, то ток ограничивают путем повышения значения сопротивления резистора R6. Оптимальным решением будет выбрать наименьший размер емкости конденсатора С1.

При данных радиодеталях прибор рассчитан на потребление 1 киловатта. Чтобы повысить мощность потребления, нужно применить более мощные силовые элементы ключа на транзисторе и выпрямителя.

При выключенных потребителях устройство расходует немалую мощность, учитываемую счетчиком. Поэтому лучше выключать этот прибор при отключенной нагрузки.

Принцип работы и конструкция полупроводникового генератора ВЧ

Генераторы высокой частоты выполнены на широко применяемой схеме. Различия генераторов заключаются в цепочке RС эмиттера, которая задает транзистору режим по току. Для образования обратной связи в цепи генератора от индуктивной катушки создают вывод клеммы. Генераторы ВЧ работают нестабильно на из-за влияния транзистора на колебания. Свойства транзистора могут измениться при колебаниях температуры и разности потенциалов. Поэтому образующаяся частота не остается постоянной величиной, а «плавает».

Чтобы транзистор не влиял на частоту, нужно уменьшить связь контура колебаний с транзистором до минимальной. Для этого нужно снизить размеры емкостей. На частоту оказывает влияние изменение нагрузочного сопротивления. Поэтому нужно между нагрузкой и генератором включить повторитель. Для подключения напряжения к генератору применяют постоянные блоки питания с небольшими импульсами напряжения.

Генераторы, сделанные по схеме, изображенной выше, имеют максимальные характеристики, собраны на . Во многих схемах генераторов ВЧ сигнал выхода снимается с контура колебаний через небольшой конденсатор, а также с электродов транзистора. Здесь нужно учесть, что вспомогательная нагрузка контура колебаний изменяет его свойства и частоту работы. Часто это свойство применяют для замера разных физических величин, для проверки технологических параметров.

На этой схеме показан измененный генератор высокой частоты. Значение обратной связи и лучшие условия возбуждения выбирают при помощи элементов емкости.

Из всего количества схем генераторов выделяются варианты с ударным возбуждением. Они действуют за счет возбуждения контура колебаний сильным импульсом. В итоге электронного удара в контуре образуются затухающие колебания по синусоидальной амплитуде. Такое затухание происходит из-за потерь в контуре гармонических колебаний. Скорость таких колебаний вычисляется по добротности контура.

Сигнал ВЧ на выходе будет стабильным в том случае, если импульсы будут иметь высокую частоту. Такой вид генераторов самый старый из всех рассматриваемых.

Ламповый генератор ВЧ

Чтобы получить плазму с определенными параметрами, необходимо подвести необходимую величину к разряду мощности. Для эмиттеров на плазме, работа которых основана на разряде высокой частоты, применяется схема подведения мощности. Схема изображена на рисунке.

На лампах преобразовывает энергию электрического постоянного тока в переменный ток. Главным элементом работы генератора стала электронная лампа. В нашей схеме это тетроды ГУ-92А. Это устройство представляет собой электронную лампу на четырех электродах: анод, экранирующая сетка, управляющая сетка, катод.

Сетка управления, на которую поступает сигнал высокой частоты малой амплитуды, закрывает часть электронов, когда сигнал характеризуется отрицательной амплитудой, и повышает ток на аноде, при положительном сигнале. Экранирующая сетка создает фокус электронного потока, увеличивает усиление лампы, снижает емкость прохода между сеткой управления и анодом в сравнении с 3-электродной системой в сотни раз. Это уменьшает выходные искажения частот на лампе при действии на высоких частотах.

Генератор состоит из цепей:

1. Цепь накала с питанием низкого напряжения.
2. Цепь возбуждения и питания сетки управления.
3. Цепь питания сетки экрана.
4. Анодная цепь.

Между антенной и выходом генератора находится ВЧ трансформатор. Он предназначен для отдачи мощности на эмиттер от генератора. Нагрузка контура антенны не равна величине отбираемой наибольшей мощности от генератора. Эффективность передачи мощности от каскада выхода усилителя к антенне может быть достигнута при согласовании. Элементом согласования выступает емкостный делитель в цепи контура анода.

Элементом согласования может работать трансформатор. Его наличие необходимо в разных согласующих схемах, потому что без трансформатора не осуществится высоковольтная развязка.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Приборы и принадлежности: трехэлектродная лампа, источник постоянного напряжения на 300 В, источник переменного напряжения на 4В, два воздушных конденсатора постоянной и переменной емкости, две катушки индуктивности, два конденсатора постоянной емкости, сопротивление, микроамперметр, индикатор высокочастотного электромагнитного поля на неоновой лампе, неизвестные емкость и индуктивность.

Краткая теория

Электрический колебательный контур представляет собой цепь (рис.1), состоящую из последовательно соединенных емкости С, индуктивности L и сопротивления R проводников.

В контуре происходят периодические изменения силы тока и связанных с ней величин. Перезарядку пластин конденсатора можно понять, вспомнив, в чем состоит явление самоиндукции.

Явление самоиндукции состоит в следующем: при всяком изменении тока в контуре в нем возникает э.д.с. самоиндукции  c , которая прямо пропорциональна скорости изменения тока в контуре (di/dt) и обратно этой скорости направлена:

Если ток нарастает, э.д.с. препятствует этому увеличению тока и создает индукционный ток противоположного направления. Если ток уменьшается, э.д.с. препятствует уменьшению тока и создает индукционный ток того же направления.

Рассмотрим работу контура. Зарядим конденсатор от внешнего источника электроэнергии до некоторой разности потенциалов U, сообщив его обкладкам заряды ±q , и затем с помощью ключа К замкнуть контур, то конденсатор начнет разряжаться и в цепи потечет некоторый ток. При малом значении R он будет очень быстро нарастать. Направление для тока i, показанное на рис.1, примем за положительное (верхняя пластина заряжена положительно, нижняя - отрицательно) и рассмотрим процессы, протекающие в контуре.

Допустим сначала, что омическое сопротивление проводника, из которых состоит контур, исчезающе мало, т.е. R»0, и пусть в начальный момент времени заряд конденсатора максимален (q=q o ). При этом разность потенциалов между его обкладками также максимальна (U=U o), а ток в цепи равен нулю (рис.2,а). Когда конденсатор начнет разряжаться, то в контуре потечет ток.

В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, но зато возникнет все возрастающая энергия магнитного поля, обусловленного током, текущим через индуктивность. Так как в цепи действует э.д.с. самоиндукции, ток будет увеличиваться постепенно, и через время t=1/4 T (четверть периода) он достигнет максимального значения (i=i o ), конденсатор разрядится полностью, и электрическое поле исчезнет, т.е. q =0 и U=0. Теперь вся энергия контура сосредоточена в магнитном поле катушки (рис.2,б). В последующий момент времени магнитное поле катушки начнет ослабевать, в связи с чем в ней индуцируется ток, идущий (согласно правилу Ленца) в том же направлении, в котором шел ток разрядки конденсатора. Благодаря этому конденсатор перезаряжается. Через время t=1/2 T магнитное поле исчезнет, а электрическое поле достигнет максимума. При этом q=q o , U=U o и i=0. Таким образом, энергия магнитного поля катушки индуктивности превратится в энергию электрического поля конденсатора (рис.2,в). Через время t=3/4 T конденсатор полностью разрядится, ток опять достигнет максимальной величины (i=i o ), а энергия контура сосредоточится в магнитном поле катушки (рис.2,г). В последующий момент времени магнитное поле катушки начнет ослабевать и индукционный ток, препятствующий этому ослаблению, перезарядит конденсатор. В результате к моменту времени t=T система (контур) возвращается в исходное состояние (рис.2,а) и начинается повторение рассмотренного процесса.

В ходе процесса периодически изменяются (колеблются) заряд и напряжение на конденсаторе, сила и направление тока, текущего через индуктивность. Эти колебания сопровождаются взаимными превращениями энергий электрического и магнитного полей.

Таким образом, если сопротивление контура равно нулю, то указанный процесс будет продолжаться неограниченно долго и мы получим незатухающие электрические колебания, период которых будет зависеть от величин L и С.

Колебания, происходящие в таком идеальном контуре (R=0), называются свободными , или собственными , колебаниями контура с периодом

. (10)

В реальном колебательном контуре омическое сопротивление R нельзя свести к нулю. Поэтому в нем электрические колебания всегда будут затухающими, так как часть энергии будет затрачиваться на нагревание проводников (Джоулево тепло).

Для осуществления незатухающих электрических колебаний необходимо обеспечить автоматическую подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура, т.е. необходимо создать автоколебательную систему. Такой системой незатухающих колебаний является ламповый генератор.

Ламповый генератор

Простейшая схема лампового генератора незатухающих электромагнитных колебаний приведена на рис.3

Он состоит из колебательного контура LC, включенного в анодную цепь трехэлектродной лампы последовательно с источником Б А постоянного анодного напряжения. Анодная батарея Б А является как бы "резервуаром", из которого подается энергия в колебательный контур. С катушкой L контура индуктивно связана катушка L 1 , концы которой подключены к сетке и катоду лампы. Она связывает работу лампы с колебательным процессом в контуре и называется катушкой обратной связи.

Трехэлектродная лампа вместе с катушкой обратной связи служит для того, чтобы энергия подавалась в контур в такт колебаниям. Незатухающие колебания получаются благодаря периодической подзарядке конденсатора анодным током лампы, проходящим через контур. Для того чтобы осуществлять периодическую подзарядку конденсатора контура в необходимые моменты времени, анодный ток должен иметь пульсирующий характер. Это обеспечивается путем соответствующего изменения потенциала на сетке лампы, который меняется при изменении направления тока разрядки в контуре LC за счет явления взаимной индукции между катушками L и L 1 .

При отрицательном заряде на сетке лампа оказывается "запертой", анодный ток через лампу не пойдет. Колебательный контур будет работать в обычном режиме. При положительном заряде на сетке лампа ’’откроется’’ и произведет подразядку конденсатора. Затем начнется повторение процесса.

Таким образом, лампа периодически подает в контур энергию от анодной батареи. Благодаря этому в контуре совершаются незатухающие электрические колебания.

В 1913 г. А. Мейснер изобрел замечательный способ генерирования незатухающих электрических колебаний посредством электронной лампы (§ 53). Схема электронно-лампового генератора колебаний показана на рис. 405. Колебательный контур подключен к аноду и катоду трехэлектродной лампы. Рядом с катушкой колебательного контура на том же каркасе намотана вторая катушка, один конец которой также присоединен к катоду лампы, а другой конец присоединен к сетке лампы. При правильном выборе режима лампы эта установка после начального «толчка», сообщенного замыканием цепи, дает незатухающие электрические колебания с частотой, определяемой емкостью и самоиндукцией контура.

Рис. 405. Схема использования триода для самовозбуждения незатухающих электрических колебаний.

Самовозбуждение колебания производится электронной лампой следующим образом. В начальный момент вслед за замыканием цепи анода электронный поток устремляется внутри лампы от катода к аноду и во внешней цепи от анода через катушку контура 1 к катоду. Быстро нарастая, ток создает, проходя через катушку контура, магнитное поле, которое в момент своего образования индуцирует в катушке сетки 2 электродвижущую силу такого направления, что сетка лампы приобретает по отношению к катоду положительный потенциал. Появление положительного потенциала на сетке мгновенно увеличивает ток, проходящий через лампу и через катушку

контура. Это влечет за собой новое резкое (еще более быстрое, чем в первый момент по замыкании цепи) возрастание магнитного поля. В катушке сетки вновь индуцируется электродвижущая сила такого же, как и раньше, направления, но еще большая по величине, пропорционально большей скорости возрастания магнитного поля; положительный потенциал сетки увеличивается. Увеличение положительного потенциала сетки мгновенно сказывается в увеличении анодного тока и т. д. Таким образом, в рассмотренной первой стадии процесса увеличение тока заряжает положительно сетку, что в свою очередь усиливает ток.

Но эта первая стадия процесса вскоре приводит к «кризису» и обрывается. Она обрывается тогда, когда на какой-то ступени возрастания тока скорость возрастания тока окажется меньшей, чем бывшая на предыдущей ступени. Магнитное поле контурной катушки, возрастая с меньшей скоростью, чем раньше, дает в сеточной катушке электродвижущую силу такого же, как раньше, направления, но уже меньшей величины. Потенциал сетки, оставаясь положительным, уменьшится, что вызовет уменьшение тока и остановку роста магнитного поля контурной катушки. Электродвижущая сила в сеточной катушке теперь не индуцируется, а потенциал сетки мгновенно падает до нуля. Вследствие этого ток резко уменьшается, магнитное поле контурной катушки быстро убывает и индуцирует в сеточной катушке электродвижущую силу, направленную противоположно прежнему. Сетка приобретает большой отрицательный потенциал и сразу «запирает» лампу - приостанавливает ток через нее, превращает ее в непроводник. Таким образом, во второй стадии (более короткой, чем первая) происходит кризисное падение потенциала сетки, завершающееся тем, что сетка получает большой отрицательный потенциал и запирает лампу.

Теперь выступает на сцену конденсатор контура. Лампа заперта, а контурная катушка запасла магнитную энергию Магнитное поле катушки, исчезая, создает экстраток, который заряжает конденсатор; поток электронов, которому прегражден путь через лампу, сосредоточивается на пластинах конденсатора, приключенных к катоду.

Пластины, приключенные к аноду, приобретают высокий поло жительный потенциал. Этим завершается третья стадия.

В последующий момент времени происходит разряд конденсатора. Через контурную катушку электронный поток устремляется обратно к аноду; хотя магнитное поле катушки опять нарастает, но его полярность противоположна прежней, и поэтому электродвижущая сила, индуцируемая в сеточной катушке, имеет такое направление, что потенциал сетки остается отрицательным; лампа продолжает быть запертой. К моменту, когда потенциалы на клеммах конденсатора сравняются, магнитное поле катушки достигнет максимума (конец четвертой стадии).

С этого момента, в связи с переходом от роста магнитного поля к его убыванию, изменяется направление электродвижущей силы, индуцируемой в сеточной катушке. Сетка, как и в первой стадии, приобретает положительный потенциал и открывает лампу, но лампа еще некоторое время бездействует, так как электродвижущая сила самоиндукции контурной катушки компенсирует электродвижущую силу батареи; напряжение на аноде мало и соответственно мал анодный ток. Магнитное поле контурной катушки, исчезая, гонит электроны к пластинам конденсатора, подключенным к аноду; туда же вскоре устремляется поток электронов, идущий из начинающей действовать лампы. Мгновенно здесь возникает высокий от рицательный потенциал (конец пятой стадии).

В последующую, шестую, стадию процесса повторяются с возросшей интенсивностью явления, происходившие в первой стадии: в контурной катушке одновременно протекают ток разряда конденсатора и ток, идущий через лампу.

Рис. 406. Трехточечная схема лампового Генератора колебаний

Чем сильнее «самораскачиваются» электрические колебания в ламповом генераторе, тем крепче в нужный момент оказывается заперта лампа высоким отрицательным потенциалом сетки. Рассеяние энергии при колебаниях автоматически восполняется за счет энергии анодной батареи. Амплитуда колебаний лимитируется мощностью лампы; для увеличения мощности подключают параллельно несколько ламп.

Генераторные электронные лампы, рассчитанные на мощность имеют ток насыщения, превышающий 5-10 а при анодном напряжении

В рассмотренной нами классической схеме Мейснера напряжения, подаваемые на сетку лампы, берутся (в данном случае посредством индуктивной связи катушек 1 и 2) из цепи анода. Такой принцип возбуждения напряжений в цепи сетки заимствованием их из цепи анода называют принципом обратной связи. Возможны различные видоизменения схемы. Вместо индуктивной обратной связи может быть применена емкостная обратная связь. Часто применяют так называемую трехтэчечную схему, в которой сеточной катушкой служит часть контурной катушки (рис. 406).

Математический анализ самовозбуждения колебаний показывает, что взаимная индуктивность катушек, обеспечивающих обратную связь, должна быть не меньше величины, определяемой неравенством

где активное сопротивление, емкость и индуктивность колебательного контура анодной цепи, коэффициент усиления и крутизна сеточной характеристики лампы.

Таким образом, самовозбуждение колебаний наступает при тем меньшей величине взаимной индуктивности обратной связи, чем больше коэффициент усиления и крутизна лампы и чем меньше все параметры колебательного контура: его активное сопротивление, емкость и индуктивность.

Питание ламповых генераторов осуществляют часто от динамо-машин, дающих ток для накала ламп и высокое напряжение для питания анодных цепей. Часто пользуются обычным переменным током: накал нитей подогревных ламп может производиться непосредственно переменным током, получение же высокого напряжения для питания анодных цепей производится применением трансформатора и лампового выпрямителя (кенотрона).

Так как на частоту генерируемых в контуре колебаний некоторое влияние оказывает режим работы лампы, то во избежание случайных изменений частоты, связанных с изменением режима работы лампы, применяют так называемые пьезокварцевые стабилизаторы частоты.

Небольшую пластинку, вырезанную надлежащим образом из кристалла кварца (§ 23), помещают в конденсатор К, подключенный к сетке лампы (рис. 407). Электрические колебания вызывают вынужденные механические колебания пьезокварцевой пластинки. Когда частота колебаний потенциала, подведенных к пластинке, близка к собственной частоте механических колебаний пластинки, происходит резонансное раскачивание колебаний пластинки. Колебательные изменения толщины пьезокварцевой пластинки сопровождаются в свою очередь появлением на ее гранях зарядов, изменение величины и знака которых поддерживает колебания потенциала на пластинах сеточного конденсатора К. Таким образом, случайные изменения частоты электрических колебаний, подведенных к конденсатору К, почти не сказываются на колебаниях потенциала сетки, которые происходят синхронно с собственными колебаниями пьезокварцевой пластинки. Затухание колебаний пьезокварцевой пластинки очень мало, декремент затухания меньше одной десятитысячной.

В схеме, показанной на рис. 407, обратная связь осуществляется через конденсатор небольшой емкости С. При генерировании высокочастотных колебаний межэлектродная емкость (анод-сетка в генераторной лампе) часто оказывается достаточной для реализации обратной связи и заменяет конденсатор С. Сопротивление препятствует появлению на сетке больших (превышающих расчетное значение) отрицательных потенциалов, заряды стекают по этому сопротивлению.

Применение пьезокварцевых стабилизаторов позволяет поддерживать частоту ламповых генераторов колебаний постоянной с точностью до миллионных долей. Это используется в пьезокварцевых часах, которые представляют собой ламповый генератор колебаний с частотой колебаний, стабилизированной пьезокварцем, и с устройством для автоматического счета числа совершившихся колебаний. Пьезокварцевые часы несравненно точнее лучших хронометров. Они измеряют время с точностью до С помощью пьезокварцевых часов были обнаружены и изучены незначительные неравномерности скорости суточного вращения Земли.

Рис. 407. Ламповый генератор колебаний с пьезокварцевым стабилизатором частоты

Наряду с ламповыми генераторами, - создающими гармонические колебания напряжения, часто применяются ламповые генераторы импульсов напряжения, резко отличающихся по форме от синусоидальных. Такие так называемые релаксационные колебания служат, в частности, для управления электронным лучом в осциллографах и телевизионных трубках. Пилообразные по форме импульсы напряжения подводятся (в телевизионных трубках) к катушкам, создающим магнитное поле, отклоняющее луч, или (в осциллографах) к конденсатору, между пластинами которого проходит электронный луч, что позволяет получать равномерные во времени отклонения луча, прочерчивающего на экране

прямую линию-развертку луча. На рис. 408 показана схема лампового генератора, создающего пилообразные импульсы напряжения. Здесь два триода, объединенных в одном баллоне, причем сетки их соединены. Существенно, что анодная цепь первого триода (блокинг-генератора) весьма сильно связана с сеточной цепью через трансформатор, имеющий для увеличения взаимоиндукции железный сердечник. Колебания в сеточной цепи определяются появлением заряда на конденсаторе и стекэнием этого заряда через сопротивление на землю; чем меньше постоянная времени этой цепи тем быстрее разряжается конденсатор сетки

Рис. 408. Блокинг-генератор и генератор пилообразных импульсов напряжения.

Если в начальный момент потенциал сетки был отрицателен и лампа блокинг-генератора (левый триод) была заперта, то, когда конденсатор разрядится, через лампу проходит быстро возрастающий ток; это быстрое возрастание тока обеспечивается тем, что при увеличении тока через трансформатор на сетку подается положительное напряжение (при включении обмоток трансформатора следует подобрать правильную полярность). Далее, существенно, что лампа блокинг-генератора работает в таком режиме, когда большому анодному току соответствует весьма большая утечка электронов через сетку; благодаря этому току сетки вслед за положительным выбросом (кривая 1 на рис. 408) напряжение на сетке быстро снова становится отрицательным и лампа блокинг-генератора вновь оказывается запертой. Напряжение на аноде второго триода (кривая 2 на том же рисунке) резко и глубоко падает каждый раз, когда начинает проходить ток через лампу, так как в цепь анода включено большое сопротивление (порядка Когда же лампа оказывается запертой, напряжение восстанавливается, возрастая приблизительно линейно, и с тем большей скоростью, чем меньше постоянная времени анодной цепи

В томе II, § 106, мы познакомились с устройством электронной лампы и видели, что изменение напряжения на ее сетке меняет силу тока в ее анодной цепи. Когда сетка заряжена отрицательно, то электроны не могут пролетать к аноду, ток не идет, лампа, как говорят, «заперта». Зарядив сетку положительно, мы «отпираем» лампу, т. е. через нее может идти ток. Изменения анодного тока следуют за изменениями напряжения на сетке практически мгновенно - через десятимиллиардные доли секунды (время пролета электронов от сетки к аноду), т. е. электронная лампа является «выключателем» с ничтожной инерцией. Поэтому, соединив лампу с колебательным контуром и батареей так, чтобы в нужные моменты лампа отпиралась и пропускала ток к конденсатору, мы можем получить электрическую автоколебательную систему, позволяющую возбуждать (генерировать) незатухающие электрические колебания.

Очевидно, для того чтобы колебания в контуре управляли анодным током лампы, надо подать на ее сетку напряжение, зависящее от колебаний тока или напряжения в контуре, т. е., как говорят, связать контур с сеточной цепью лампы. Такая электрическая связь может быть осуществлена различными способами - при помощи электростатической индукции (емкостная связь), при помощи электромагнитной индукции (индуктивная связь) и т. д. Главное здесь заключается не в том, каким именно способом контур связан с лампой, а в том, что благодаря этой связи мы имеем не только действие лампы на колебания в контуре, но и обратное воздействие этих колебаний на лампу. Разнообразные способы соединения лампы с колебательным контуром, обеспечивающие такое обратное воздействие, являются примерами так называемой обратной связи, а сами электрические автоколебательные системы такого рода называются ламповыми генераторами. Современные ламповые генераторы позволяют получать колебания с частотами до нескольких миллиардов герц и применяются чрезвычайно широко. Они служат основой каждой радиостанции и входят в состав многих типов радиоприемников.

На рис. 58 показана одна из весьма многочисленных и разнообразных схем лампового генератора - схема с индуктивной обратной связью.

Колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора емкости , включен последовательно с батареей в анодную цепь лампы, т. е. между анодом и накаленной нитью (катодом) . Нить накаливается током от батареи накала . В сеточную цепь лампы - между сеткой и катодом - включена вторая катушка индуктивности , связанная индуктивно с катушкой контура. Таким образом, катушки и образуют как бы первичную и вторичную обмотки трансформатора, но без сердечника. Впрочем, в генераторах низких (звуковых) частот можно применять трансформатор с железным сердечником.

Катушка управляет напряжением на сетке и осуществляет обратную связь между колебаниями в контуре и на сетке лампы.

Представим себе, что в контуре, состоящем из катушки индуктивности и конденсатора емкости , происходят колебания. По катушке протекает переменный ток, который наводит в катушке переменную э. д. с. Сетка заряжается то положительно, то отрицательно по отношению к катоду , причем период этих колебаний сеточного напряжения, очевидно, тот же, что и период колебаний в контуре , т. е.

Лампа то «отпирается», то «запирается»; таким образом, колебания в контуре вызывают пульсации анодного тока лампы. Анодный ток, идущий от анода через контур к катоду, разветвляясь, проходит через катушку индуктивности и конденсатор (разумеется, постоянная, т. е. не меняющаяся со временем, составляющая анодного тока проходит при этом только через катушку, так как постоянный ток через конденсатор идти не может, см. том II, § 159). Если фаза колебаний анодного тока подобрана правильно, т. е. «толчки» анодного тока действуют на контур в нужные моменты, то колебания в контуре будут поддерживаться (ср. § 30). Другими словами, за каждый период колебаний от батареи будет заимствоваться порция энергии, как раз покрывающая потери энергии в контуре за то же время, и колебания будут незатухающими. Если поменять местами концы катушки , то фаза колебаний сеточного напряжения изменится на 180°, и колебания не возбудятся (аналогично тому, как это получалось в системе, изображенной на рис. 56).

Рис. 58. Ламповый генератор

Наблюдать колебания можно с помощью электронного осциллографа или - если колебания имеют звуковую частоту - с помощью громкоговорителя, включенного прямо в анодную цепь лампы. Можно также включить в конденсаторную ветвь контура лампочку накаливания (от карманного фонаря или автомобильную, в зависимости от мощности генератора). Так как лампочка включена последовательно с конденсатором, постоянная составляющая анодного тока через нее не проходит. Следовательно, лампочка будет загораться только при наличии в контуре электрических колебаний.

С помощью лампового генератора, подобного описанному, нетрудно наблюдать и явление электрического резонанса, связав индуктивно с контуром генератора второй такой же колебательный контур, но с переменным конденсатором и с включенной в контур лампочкой накаливания. Плавно меняя емкость в этом контуре, его можно настроить в резонанс на частоту генератора. При соответствующем подборе лампочки и связи между контурами нетрудно добиться таких условий, что при резонансе лампочка вспыхивает, а при расстройке гаснет.