§ 92. Ламповые генераторы электрических колебаний

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