Генераторы синусоидальных колебаний

С самовозбуждением

Для возбуждения незатухающих электрических колебаний применяют автоколебательные системы (работающие за счет энергии источника постоянного или выпрямленного напряжения), называемые генераторами. Рассмотрим ламповый генератор:

Существо протекающих в генераторе процессов заключается в том, что колебательный контур воздействует на анодную цепь лампы, которая в свою очередь оказывает действие на контур. Такой способ получения колебаний называется обратной связью. Соответственно катушку L называют катушкой обратной связи. Источником энергии является анодная батарея. В качестве "клапана", пропускающего в контур энергию в нужный момент, используют триод либо транзистор.

В момент включения схемы в колебательном контуре возникают малые случайные колебания. За счет индуктивной связи эти колебания передаются на сетку триода и усиливаются. Усиленные лампой колебания через анодную цепь попадают в контур в резонанс с теми, которые там уже существуют и амплитуда колебаний возрастает. Так будет лишь в случае определенного фазового соотношения между колебаниями в контуре и изменением напряжения сетки. Обратная связь должна быть положительной.

Схема генерирует колебания, частота которых равна частоте собственных колебаний контура Lк Cк. Изменять эту частоту можно, меняя параметры контура - C и L. Удобнее Cк. Элементы Rc Cc служат для создания на сетке напряжения смещения в цепях правильного режима работы лампы.

Рассмотрим работу генератора при установившихся колебаниях, когда активное сопротивление колебательного контура = 0, то есть контур идеальный. В идеальном колебательном контуре при возбужденных колебаниях на пластинах конденсатора образуется переменное напряжение Uк, поддерживающее ток Jк колебательного контура (рисунок). Ток Jк запаздывающий по фазе относительно напряжения Uк на L п/2, наводит в катушке связи э.д.с. индукции Eк, которая в свою очередь запаздывает по фазе относительно тока Jк еще на L п/2 и, следовательно, по отношению к напряжению Uк находится в противофазе (пунктир). Однако вследствие обусловленного выше порядка подключения концов катушки Loc к сетке и катоду лампы фаза э.д.с. индукции изменяется на обратную и потенциал Uс на сетке лампы оказывается в фазе с напряжением Uк.

Потенциал Uс на сетке вызывает соответствующие пульсации анодного тока, который может рассматриваться как состоящий из постоянной Jао и Jа_~ переменной составляющих. Последняя имеет такую же частоту, как и напряжение Uк и находится с ним в фазе.

Для получения незатухающих колебаний в автогенераторе необходимо: 1) условие выполнения фазовых соотношений; 2) чтобы приток энергии к контуру за некоторое время был больше потерь энергии в контуре.

Подобный генератор может быть выполнен на полупроводниковом триоде. Принцип его работы аналогичен.

На практике колебательный контур включается в цепь сетки. Активное сопротивление нагрузки вместе с катушкой связи в генераторе включено в анодную цепь лампы (рисунок).

В подобном генераторе в колеба-тельном контуре почти не происходит потерь энергиии и ток Jк в нем является только возбудителем переменного потенциала на сетке лампы, к которой он подключен.

Потенциал изменяется в фазе с напряжением Uс конденсатора контура. Анодный ток проходит по катушке K, которая связана индуктивно, с одной стороны, с катушкой L колебательного контура (для поддержания колебаний в нем), с другой стороны, с катушкой Lн нагрузочного контура, на сопротивлении Rн которого происходят основные потери энергии. Эти потери компенсируются непосредственно переменной составляющей анодного тока, которая питает этот контур путем индукции между катушками K и Lн.

Двухтактный генератор

Если требуется значительная мощность колебаний, то применяется двухтактный генератор (рисунок).

В нем к колебательному контуру подключены две лампы Л1 и Л2, анодные токи которых проходят каждый через соответствующую половину катушки контура. Для этого положительный полюс источника питания включается к средней точке катушки, отрицательный - к общей точке катодов ламп.

Катушки К1 и К2 связи соединены вместе, и их средняя точка через сопротивление Rс (смещения) подключена к общей точке катодов ламп. Активное сопротивление контура Rк1 и Rк2 считаем включенными последовательно с каждой из половин катушки L контура.

Принципиальная схема двухтактного генератора напоминает схему двухтактного усилителя.

Самовозбуждение колебаний в генераторе основано на практически неизбежной несимметрии электрических параметров схемы, в связи с чем в начальный момент при включении источника питания токи, протекающие по каждой из половин катушки контура, не будут абсолютно одинаковы. Это обусловливает образование на концах катушки L хотя бы небольшой разности потенциалов, которая послужит для начальной зарядки конденсатора C контура. Затем в процессе колебаний это напряжение быстро возрастает до нормальной величины.

Рассмотрим рабочий процесс при уже возбужденных колебаниях. Ток Jк колебательного процесса (реактивная составляющая тока в контуре) через катушки связи индуктирует на сетках ламп переменные потенциалы Uс₁ и Uс₂, которые обусловливают образование переменных составляющих Jа₁_~ и Jа₂_~ анодных токов ламп (активная составляющая тока в контуре). Колебания потенциалов Uс₁ и Uс₂, а следовательно, токов Jа₁_~, Jа₂_~ и напряжений Ur₁_~, Ur₂_~ на сопротивлениях Rк₁ и Rк₂ находятся в противофазе, причем токи Jа₁_~и Jа₂_~ протекают по сопротивлению Rк₁ и Rк₂ в противоположных направлениях, поэтому напряжения Ur₁ и Ur₂ образуют совместно общее напряжение Uк, которое в данном случае и поддерживает колебания в контуре. Токи Jа₁_~ и Jа₂_~ компенсируют потери энергии на активном сопротивлении контура. В результате в колебательном контуре реализуется удвоенная мощность сравнительно с однотактным генератором на такой же лампе.