Генераторы синусоидальных колебаний

Предположим, что усилитель, изображенный на схеме рис. 173, получает на вход синусоидальное напряжение с амплитудой f/ox От внешнего генератора. В качестве сопротивления анодной нагрузки в усилителе использован колебательный контур LC, настроенный на частоту входного напряжения. Поэтому его сопротивление для переменной составляющей анодного тока часто активно и, следовательно, на нем возникает падение напряжения с амплитудой бвых = арез так же, как это происходит в усилителе на сопротивлениях. Очевидно, точно такое же напряжение аых получилось бы ИЗ KOHTvpe И В ТОМ случэе, если бы переменное напряжение поступало на вход усилителя не от

т ивы.

Рис. 173. Иллюстрация принципа обратной связи

Рис. 174. Схема генератора синусоидальных колебаний радиочастоты с трансформаторной связью

постороннего генератора, а с выхода усилителя, как часгь выходного напряжения (см. пунктир на рис. 173). Передать часть выходного напряжения на вход можно многими способами, в частности с помощью катушки Z-ca, образующей трансформатор вместе с катушкой контура L (рнс. 174]. Тогда переменное напряжение на контуре вых вызывает напряжение между сеткой к катодом а.ч. а напряжение между сеткой и катодом так же как в усилителе, вызывает напряжение i/вых на контуре и т. д. ,

Идея схемы рис. 174 аналогична идее паровой машины, з которой источнико.м энергии является паровой котел, создающий постоянную силу давления пара, направленного по соединительной трубе. Сила пара преобразуется в переменную силу золотником, но сам золотник управляется поршнем, с которым оь механически связан. В схеме рис. 174 сетка, управляя анодным током, текущим под действием постоянной э. д. с, преобразовывает его в переменный ток; но управляющее действие сетки осуществляется с помощью напряжения, получаемого от анодной цепи через цепь обратной связи.

Конечно, существование колебаний возможно лишь при определенных условиях.

1. Необходимо, чтобы переменное напряжение подавалось к участку сетка - катод в нужной фазе, т. е. так, чтобы оно было положительным и отрицательным как раз тогда, когда нужно, чтобы ток увеличивался и уменьшался. Иными словами, нужно, чтобы сеточное напряжение совпадало по фазе с переменной составляющей анодного тока и, следовательно, с напряжением на контуре. При этом условии обратная связь называется положительной. При противоположной фазе сеточного напряжения обратная связь называется отрицательной. Очевидно, что отрицательная обратная связь не только не обеспечивает самовозбуждения, но даже при наличии постороннего возбуждения будет способствовать уменьшению выходного напряжения. В схеме рис. 174 нужная фаза напряжения обратной

г ° Р

Рис. 175. Схема генератора синусоидальных колебаний радиочастоты с автотрансформат о р н о й связью

Рис. 176. Схема генератора синусоидальных колебаний радиочастоты с емкостной связью

свя.зи обеспечивается выбором взаимного расположения катушек Z-ca и L или выбором ОДНОГО из двух возможных вариантов присоединения концов катушки Z-ca к сетке и катоду. На рис. 175 и 176 показаны другие возможные способы осуществления положительной обратной связи.

2. Необходимо, чтобы напряжение обратной связи было достаточным по величине.

Действительно, напряжение обратной связи обр = Р аых

где = ---коэффициент обратной связи, показывающий,

какая часть выходного напряжения поступает с выхода на вход. Чтобы на контуре получилось напряжение вых, необходимо

воздействие на сетку напряжения .

Следовательно, напряжение обр снимаемое через цепь об-

ратной связи с контура, должно быть не меньше, чем

т. е

обр - Р вых

(49)

откуда получается условие самовозбуждения:

? > - или /C?> 1.

Процессы, происходящие по схемам рис. 174, 175 и 176, можно пояснить и другим путем. Если в контуре LC (рис. 177) конденсатор С почему-либо зарядится, то, как известно, в результате его разряда на катушку L возникнут затухающие колебания, т. е. напряжение и на контуре будет изменяться по кривой

-ЛЛЛЛЛЛЛ-

Р.ис. 177, Колебательный контур

Рис. 178, Свободные колебания напряжения в контуре

рис. 178, Затухание колебаний объясняется расходом энергии в контуре на тепло, выделенное в его активном сопротивлении (провода и потери).

Если же контур включен в анодную цепь генератора, то он будет получать добавочную энергию из анодной цепи за счет падения напряжения на нем от переменной составляющей анодного тока, возникающей в результате обратной связи. При соблюдении указанных выше условий колебания будут не затухать, а возрастать.

Условия самовозбуждения обеспечивают поддержание или возрастание колебаний, но для их возникновения необходим начальный толчок, например заряд конденсатора или изменение тока в катушке, который вызвал бы начальные колебания. Следует подчеркнуть, что при выполнении условий самовозбуждения начальный толчок может быть как угодно мал - если /С3>1, то колебания все равно будут нарастать. Система ведет себя подобно конусу, поставленному на вершину. Теоретически можно представить себе, что в определенном положении конус будет находиться в равновесии, но при сколь угодно малом отклонении от этого равновесия он будет стремиться еще дальше отклонять-, ся от него.

§

Такое состояние называется неустойчивым равновесием. Поэтому и про схему с положительной обратной связью при условии (49) говорят, что она неустойчива. Вследствие неустойчиво-сти схемы ничтожные тепловые флуктуации анодного тока бывают обычно причиной возникновения колебаний.

Причиной, ограничивающей нарастание амплитуды колебаний, является нелинейность ламповых характеристик.

Блокинг-генераторы

Синусоидальная форма колебаний, возникающих в схемах рис. 174, 175 и 176 обеспечивается наличием в них колебательного контура. В схеме рис. 179 есть положительная обратная связь и может быть выполнено условие самовозбуждения, но в ней нет

отсечки

Рис. 180. Вольтамперная характеристика лампы

Рис. 179. Схема блокинг-гене-ратора

колебательного контура, поэтому генерируемые ею колебания несинусоидальны. Эта схема обычно применяется в области звуковых частот и поэтому для обратной связи используется трансформатор с железным сердечником.

В состоянии покоя рабочая точка на сеточной характеристике (рис. 180) соответствует нулевому сеточному напряжению. Однако такое состояние схемы при достаточно большой положительной обратной связи неустойчиво. Действительно предположим, что в результате флуктуации сила тока в анодной цепи лампы увеличивалась на ничтожную величину. Увеличение тока а первичной обмотке трансформатора вызовет появление э. д. с.

ВО .вторичной обмотке, т. е. между сеткой и катодом. Если вторичная обмотка включена так, что увеличение тока способствует появлению положительного потенциала на сетке (это и есть положительная .связь), то этот потенциал вызовет нарастание анодного тока, что, в свою очередь, вызовет положительный потенциал сетки и т. д.

Таким образом, ничтожное начальное отклонение тока от состояния равновесия (например, увеличение) вызывает дальней, шее его отклонение, что и характеризует неустойчивость схемы. Нарастание тока ограничено верхним загибом характеристики лампы. При замедлении нарастания тока уменьшается еср ==

= М 1- g положительный потенциал сетки, что еще больще замедляет рост тока. При прохождении кривой тока через максимум (рис. 181) обр = О, что вызывает спадание анодного

тока до начального значения. При спадании тока е -М отрицательно, поэтому сила тока быстро уменьшается до нуля.

Рис. 181. График изменения во времени анодного тока генератора несинусоидальных колебаний

Рис. 182. Схема блокинг-генератора. обеспечивающая паузы между импульсами

При отсутствии тока через лампу отрицательная э. д. с. е ис-

чезает, лампа отпирается, появляется анодный ток, а следова-

din

И процесс повто-

тельно, и положительная э. д. с. е ~ М

ряется сначала.

В результате описанных процессов схема генерирует импульсы тока, изображенные на рис. 181. С помощью катушки связи можно получить от схемы импульсы напряжения.

При небольшом видоизменении схемы можно создать паузы между генерируемыми импульсами. Для этого в сеточную цепь блокинг-генератора включают конденсатор и сопротивление утечки Rg, как показано на рис. 182. Процесс нарастания и спадания тока в этой схеме происходит таким же образом, как и в схеме рис. 179. Однако при положительном потенциале сетки от-

Приведенное здесь описание является упрощенным, а форма кривой на рис. 181 -приближенной. Более точное описание и форма кривой связаны с учетом таких явлений, как сеточный ток и изменение крутизны характеристики -анодного тока, вызванное изменением анодного иапряжения. Графики рис. 183 более точны.

носительно катода (возникающем при нарастании тока ij появляется сеточный ток и конденсатор Cg заряжается этим током. После прекращения нарастания анодного тока на сетке остается отрицательный потенциал благодаря заряду, накопленному конденсатором. Этот потенциал достаточен для поддержания запертого состояния лампы. Лампа отопрется тогда, когда отрицательное напряжение на конденсаторе уменьшится за счет его разряда через R до величины потенциала отсечки (см. рис. 180).

Таким образом, схема будет генерировать короткие периодические импульсы, по форме аналогичные предыдущим, но разделенные значительными промежутками времени, пропорциональными постоянной вре-

мени А*

Изменяя

или Cg,

можно регулировать частоту повторения импульсов. На рис. 183 представлены графики зависимости анодных и сеточных токов и напряжений от времени. Схема широко применяется в качестве генератора развертки в осциллографах и телевизорах, а также в схемах преобразования низкого постоянного напряжения в высокое.

Рис. 183. Графики зависимости анодных и сеточных токов и напряжений от времени

Мультивибраторы

Схема рис. 184 представляет собой двухкаскадный усилитель на сопротивлениях, отличающийся от рассмотренного ранее лишь тем, что оба его каскада питаются от общего источника. Нетрудно убедиться, что в усилителе каждый каскад меняет знак усиливаемого сигнала на обратный. Действительно, повышение сеточного напряжения и вызвало бы увеличение анодного тока Гд увеличение падения напряжения i Rai ч, следовательно, уменьшение анодного напряжения Ua=Uo - - го.а,-При усилении двумя ступенями знак сигнала не меняется. Поэтому, если соединить выход второй ступени со входом первой (рис. 184), то получится положительная обратная связь.