Принцип работы лампового генератора кратко

Обновлено: 05.07.2024

Ламповые генераторы

Ламповые генераторы являются неотъемлемой частью любого передающего устройства и находят также широкое применение в измерительной технике. Они разделяются на две группы: ламповые генераторы с посторонним (независимым) возбуждением и ламповые генераторы с самовозбуждением (автогенераторы или возбудители).

Ламповые генераторы с посторонним возбуждением , или, как их называют, усилители мощности высокой частоты , предназначены для усиления мощности высокочастотных колебаний, вырабатываемых автогенератором. Применение нескольких каскадов генераторов с посторонним возбуждением позволяет получить выходную мощность высокочастотных колебаний до нескольких десятков тысяч киловатт при относительно высоком коэффициенте полезного действия.

Ламповые генераторы с самовозбуждением преобразуют энергию постоянного тока или тока промышленной частоты в токи высокой частоты. Подобное преобразование возможно лишь при использовании в схеме нелинейного элемента. Ламповый генератор с самовозбуждением, или первоначальный возбудитель, является первоисточником высокочастотных колебаний. Он состоит из лампы, колебательного контура, источников питания и цепи обратной связи.

Применение генераторов типа RC с колебательными контурами из индуктивности и емкости, рассмотренные выше, усложняется по мере понижения частоты генерируемых колебаний, так как трудно обеспечить необходимое качество контура и осуществлять перестройку частоты генератора, если он работает в широком диапазоне частот: увеличиваются его габариты. В связи с этим большое распространение получили реостатно-емкостные генераторы синусоидальных колебаний (RC генераторы ), которые устойчиво работают в широком диапазоне частот (от долей герца до нескольких тысяч килогерц), просты по устройству и малогабаритны.

В электронной аппаратуре, наряду с генераторами синусоидальных колебаний, часто применяются генераторы, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию электрических разрывных колебаний, имеющих, например, прямоугольную или пилообразную форму, получили название генераторов релаксационных колебаний. Релаксационные генераторы могут работать в различных режимах; автоколебательном, ждущем, в режиме синхронизации и деления частоты.

Стабилизация частоты генераторов

Ламповый генератор подвержен влиянию целого ряда факторов, любой из которых может стать причиной нестабильности его частоты, вызывая изменение настройки колебательной системы, механические воздействия, изменение температуры окружающей среды или деталей схемы, повышение или понижение напряжения источника питания и т. д.

Механические воздействия приводят к деформациям геометрических размеров контурных деталей, к взаимному перемещению деталей и монтажных проводов (например, вследствие ударов, вибраций или перекосов установочных плат). В результате меняются вносимые в контур емкости и индуктивности, изменяется его настройка. Поэтому к конструкции генератора предъявляются строгие требования: монтаж его должен быть жестким (целесообразно применение печатного монтажа), для изоляторов и каркасов катушек используют особо прочные материалы, которые не подвержены перекосам и короблениям, ротор и статор переменного конденсатора делают не наборными, а литыми с последующим фрезерованием, причем ротор должен иметь фиксатор, позволяющий надежно затормозить его вращение в любой точке шкалы настройки.

Изменение температуры окружающей среды обусловливает изменения индуктивности и емкости контура, активного сопротивления проводов, диэлектрической постоянной диэлектрика. Влияние температуры на индуктивность катушки и емкость контурного конденсатора оценивают соответственно температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ) α L и температурным коэффициентом емкости (ТКЕ) α C , представляющими относительные изменения этих величин при изменении температур на 1° С:

Для уменьшения ТКИ каркасы катушек изготовляют на высокочастотной керамике, а намотку осуществляют специальным проводом с малым температурным коэффициентом расширения. Очень часто применяют катушки с намоткой, изготовленной методом вжигания металла в керамику.

Изменение емкости контурного конденсатора при нагреве вызвано изменением площади пластин, зазора между ними и изменением диэлектрической постоянной диэлектрика. Поэтому в практике нашли применение керамические конденсаторы. В некоторых видах керамических конденсаторов используются титанодиэлектрики, имеющие отрицательный ТКЕ. Эти конденсаторы служат для термокомпенсации в контуре лампового генератора .

Большое влияние на частоту оказывает разогрев лампы генератора. Изменение температуры лампы вызывает изменение геометрических размеров электродов, а следовательно, и междуэлектродных емкостей, что в свою очередь влияет на настройку контура. Поэтому в генераторах желательно применять маломощные лампы.

Часто для снижения температуры лампы применяют принудительное воздушное охлаждение.

Изменение напряжений источников питания также влияет на тепловой режим лампы, что приводит к только что перечисленным нежелательным явлениям. Влияние колебаний напряжений питания на частоту генерируемых колебаний сказывается тем меньше, чем больше добротность контура. Поэтому питание автогенератора желательно осуществлять от отдельного стабилизированного источника питания.

Изменения режима сеточной цепи следующего каскада, являющейся составной частью нагрузки генератора, оказывают существенное влияние на частоту колебаний генератора. Если не представляется возможным поставить каскад, следующий за генератором, в буферный режим, то связь с последним выбирают очень слабой.

Для получения более высокой стабильности частоты применяют электромеханические системы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом: кварц, сегнетовую соль, турмалин и другие материалы, изготовленные на основе титаната бария. В практике используется главным образом кварц (SiО 2 ). Кристалл кварца представляет собой шестигранную призму с двумя шестигранными пирамидами в основаниях ( рис. 171, а ).

Он очень тверд, упруг, является хорошим диэлектриком, физические свойства его почти не зависят от внешних условий. Кристалл кварца имеет одну оптическую ось z, проходящую через верив шины пирамид, три механические оси y, перпендикулярные граням призмы и оптической оси и три электрических оси x, перпендикулярные оптической оси и проходящие через грани призмы.

Рис. 171. Кристалл (а) и электрическая схема (б) кварца.

Пластинки кварца вырезают из призмы под различными углами к осям. Под действием переменного электрического поля пластинка кварца, вследствие обратного пьезоэффекта, совершает механические колебания по длине и по толщине. Всякая колеблющаяся механическая система имеет собственную частоту резонанса. Кварцевая же пластинка может резонировать на разных частотах, которые определяются размером пластинки и способом ее среза. Если частота переменного напряжения, приложенного к кварцевой пластинке, совпадает с одной из собственных ее частот, то наступает резонанс; амплитуда механических колебаний достигает наибольшей величины, а следовательно, и амплитуда тока в цепи кварца становится максимальной. При этом фаза тока совпадает с фазой переменного напряжения, приложенного к пластинке. Электрическую цепь, эквивалентную кварцевой пластинке, можно представить в виде последовательного колебательного контура.

Пластинка кварца помещается в кварцедержатель, который состоит из двух металлических пластин, присоединяемых к схеме. Емкость между пластинами кварцедержателя обозначена через С 0 , поэтому полную эквивалентную схему кварца можно представить в виде, показанном на рис. 171, б . Для кварцевой пластинки квадратного сечения со стороной около 20 мм и толщиной порядка 0,3 мм параметры эквивалентной электрической схемы имеют следующий порядок величин:

L кв ≈0,0n гн; С кв ≈0,0n пф; r кв ≈n ом; С 0 ≈n·10 пф.

Нетрудно видеть, что при таких параметрах добротность кварца достигает нескольких десятков тысяч, и, следовательно, кварцевая пластинка обладает высокими стабилизирующими свойствами.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора является контуром III вида, которому присущи две резонансные частоты:

Так как С 0 >> С кв , то величина емкости С, будучи меньше емкости С кв , очень незначительно отличается от нее. Поэтому ω 02 лишь очень немного больше ω 01 . Нетрудно показать, что на частотах, меньших ω 01 , кварц представляет емкостное сопротивление, а на частотах выше ω 01 — индуктивное. Точно так же на частотах выше ω 02 колебательная система представляет собой емкостную нагрузку, а на частотах ниже ω 02 — индуктивную. В интервале частот от ω 01 до ω 02 кварцевый резонатор эквивалентен индуктивности; интервал этот очень мал. Таким образом, если в схему автогенератора вместо индуктивности, определяющей выполнение условия баланса фаз, включить кварцевый резонатор, то автогенератор сможет возбуждаться только на частоте кварца (в указанном интервале частот).

На рис. 172 приведены две схемы генераторов, в которых использована кварцевая стабилизация частот.

В первой схеме ( рис. 172, а ) кварц включен между управляющей сеткой и катодом. Самовозбуждение имеет место на частоте ниже частоты настройки контура LC, так как он должен представлять индуктивное сопротивление.

Во второй схеме ( рис. 172, б ) кварц включен между анодом и сеткой. Самовозбуждение имеет место на частоте выше резонансной частоты контура LC, так как он должен представлять емкостное сопротивление.

Следует заметить, что в первой схеме кварц работает в более легких условиях, поскольку к нему приложено меньшее постоянное напряжение.

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

Ламповый генератор содержит колебательный контур, состоящий из катушки с индуктивностью L и конденсатора емкостью С. 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, подзаряжая конденсатор. Для этого надо контур периодически подключать на некоторый промежуток времени к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника обкладка конденсатора заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно (рис. 2.27). Только в этом случае источник подзаряжает конденсатор, пополняя его энергию. При этом электрическое поле зарядов на обкладках конденсатора соверпхает отрицательную работу и энергия конденсатора увеличивается*.

Если же ключ замкнуть в момент времени, когда знаки зарядов на обкладках конденсатора соответствуют рисунку 2.28, то электрическое поле зарядов, имеющихся на обкладках конденсатора, будет совершать положительную работу. Энергия конденсатора при этом уменьшается; конденсатор частично разряжается.

Следовательно, источник постоянного напряжения, все время подключенный к контуру, не может поддерживать в нем незатухающие колебания. Половину периода энергия будет поступать в контур, а в следующую половину периода — уходить из него.

Но если с помощью ключа подключать источник тока к колебательному контуру лишь в те полупериоды, когда происходит передача энергии в контур (см. рис. 2.27), то установятся незатухающие колебания. Понятно, что для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа (или клапана, как его часто называют). Поскольку речь идет о колебаниях очень высокой частоты, то ключ должен обладать огромным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа используется триод (рис. 2.29).

В анодной цепи, в которую включен колебательный контур, должен протекать ток в те промежутки времени, когда обкладка конденсатора, присоединенная к положительному полюсу источника, заряжена положительно. Для этого колебания в контуре должны управлять потенциалом сетки u_c, регулирующим силу тока в анодной цепи. Необходима, как говорят, обратная связь**.

Обратная связь в ламповом генераторе, схема которого приведена на рисунке 2.29, является индуктивной. В цепь сетки включена катушка L_c, индуктивно связанная с катушкой колебательного контура. Колебания силы тока в контуре вследствие явления электромагнитной индукции приводят к колебаниям напряжения не концах катушки L_c и тем самым к колебаниям потенциала сетки триода.

Выберем в качестве положительного направления обхода анодной цепи генератора направление против часовой стрелки. Напряжение на конденсаторе контура в этом случае равно разности потенциалов между нижней обкладкой конденсатора, присоединенной к положительному полюсу анодной батареи G, и верхней обкладкой.

Сила тока в контурной катушке отстает по фазе на π/2 от колебаний напряжения на контуре (это напряжение равно напряжению на конденсаторе). ЭДС индукции в катушке L_c (а значит, и напряжение между сеткой и катодом) согласно закону электромагнитной индукции сдвинута по фазе относительно колебаний силы тока в катушке контура тоже на π/2. В зависимости от порядка подключения концов катушки L_c к сетке и катоду лампы сдвиг фаз напряжения на участке сетка — катод равен либо +π/2, либо -π/2. В первом случае колебания напряжения на сетке совпадают по фазе с колебаниями напряжения на конденсаторе. Это означает, что в момент, когда нижняя пластина конденсатора заряжена положительно, сетка также заряжена положительно относительно катода лампы. Лампа при этом отперта, и ток в анодной цепи, созданный батареей G, подзаряжает конденсатор. В момент, когда нижняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, потенциал сетки оказывается ниже потенциала катода и лампа запирается. Анодная цепь размыкается, и конденсатор не разряжается через анодную цепь. Это и является необходимым условием работы генератора.

При переключении концов катушки L_c напряжение на сетке меняет фазу на п. Сетка оказывается заряженной положительно, когда нижняя пластина конденсатора заряжена отрицательно (и наоборот). Анодный ток в лампе при этом разряжает конденсатор, а не подзаряжает его. В этих условиях генератор работать не будет.

Частота колебаний в контуре определяется индуктивностью L катушки и емкостью С конденсатора контура согласно формуле Томсона:

При малых L и С частота колебаний велика.

Обнаружить возникновение колебаний в генераторе (возбуждение генератора) можно с помощью осциллографа, подав на его вертикально отклоняющие пластины напряжение с конденсатора. Если поменять местами концы катушки L_c, присоединяемые к сетке и катоду, генератор работать не будет.

Ламповые генераторы имеются на мощных передающих радиостанциях и входят в состав других радиотехнических устройств.

* Из курса механики известно, что если внутренние силы системы совершают отрицательную работу, то потенциальная энергия системы увеличивается.

** У часов с маятником обратная связь осуществляется анкерным механизмом.

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.

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

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

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.

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

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 L₁, 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 L₁.

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.

Читайте также: