Генерирование электрических колебаний
Генерирование электрических колебаний, процесс преобразования различных видов электрической энергии в энергию электрических (электромагнитных) колебаний. Термин "Г. э. к." применяется обычно к колебаниям в диапазоне радиочастот, возбуждаемым в устройствах (системах) с сосредоточенными параметрами (ёмкостью С, индуктивностью L, сопротивлением R), где электрические и магнитные поля пространственно разделены. При переходе к более высоким частотам (СВЧ и оптический диапазон) для возбуждения колебаний необходимы системы с распределёнными параметрами. В этом случае говорят об электромагнитных колебаниях. Термин "Г. э. к.", как правило, не применяется, когда речь идет о получении переменных токов промышленных частот, получаемых с помощью электрических машин (см. Генератор электромашинный, Переменного тока генератор).
Г. э. к. осуществляется обычно либо путём преобразования энергии источников постоянного напряжения при помощи электронных приборов (вакуумных, газоразрядных и твердотельных), либо путём преобразования первичных электрических колебаний в колебания требуемой частоты и формы (параметрический генератор, квантовый генератор).
В зависимости от типа электронных приборов различают: ламповые генераторы (с электронными лампами), полупроводниковые генераторы (с полупроводниковыми триодами, туннельными диодами и др.), генераторы с газоразрядными приборами (тиратронами и др.). По форме колебаний, частоте, мощности и назначению различают: генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний, генераторы колебаний специальной формы, генераторы сверхвысоких частот и т. д.
Необходимые элементы генератора: источник энергии, цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебания (пассивные цепи) и активный элемент, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний. Активным элементом обычно являются электронные приборы, часто в сочетании с управляющими ими дополнительными цепями (цепями обратной связи).
Если энергия, подводимая в пассивные цепи, превосходит потери энергии в этих цепях, то любой возникший в них колебательный процесс будет нарастать. Если поступление меньше потерь, колебания затухают. Энергетическое равновесие, соответствующее стационарному режиму Г. э. к., осуществимо лишь при наличии нелинейных свойств у элементов системы. При их отсутствии в системе возможен либо нарастающий, либо затухающий колебательный процесс, а генерация стационарных электрических колебаний невозможна (см. ниже).
Если цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебательные процессы, сами по себе обладают колебательными свойствами (например, колебательный контур или объёмный резонатор), то частота и форма генерируемых колебаний в основном определяются частотой и формой их собственных колебаний. Роль активного элемента в этом случае сводится лишь к подкачке энергии в цепи для компенсации потерь в них (включая отбор энергии потребителем).
Генераторы почти гармонических колебаний. Если в генераторе с колебательными цепями потери в контуре или резонаторе малы (высокая добротность колебательной системы), то форма колебаний в них близка к синусоидальной и их называют генераторами почти гармонических колебаний или томсоновскими генераторами.
Ламповый генератор. Простейший ламповый генератор почти гармонических колебаний состоит из колебательного контура и электронной лампы (например, триода) с питанием и управляющей цепью (рис. 1). В контуре под влиянием случайных электрических колебаний возникают собственные колебания тока и напряжения. Однако из-за потерь энергии в контуре колебания должны затухать. Чтобы колебания не затухали, необходимо пополнять запас колебательной энергии в контуре, например воздействуя на него пульсирующим током с той же частотой и с определённой фазой. Это осуществляется с помощью триода. Переменное напряжение, подводимое от контура к сетке триода, вызывает изменение его анодного тока. В результате в анодном токе появляются пульсации, которые при правильном подборе фазы напряжения, подаваемого на сетку лампы (цепь обратной связи), будут пополнять колебательную энергию контура.
Если усилительные свойства лампы таковы, что пополнения колебательной энергии превосходят потери колебательной энергии за то же время в самом контуре, то амплитуда начальных колебаний, возникших в контуре, будет нарастать. По мере роста амплитуды колебаний усиление лампы уменьшается за счёт нелинейности вольтамперной характеристики триода и в системе установится стационарная амплитуда генерируемых колебаний. Подобные системы, генерирующие стационарные колебания, частота и форма которых определяются свойствами самой системы, называют автоколебательными системами или автогенераторами, а генерируемые ими колебания - автоколебаниями.
Мощность, подводимая от источника питания, расходуется не только на поддержание колебаний в контуре, но и на разогрев анода лампы электронами, бомбардирующими его при протекании анодного тока. Это обстоятельство ограничивает кпд ламповых генераторов, который может всё же достигать 70-75%.
Управление электронной лампой с помощью цепи обратной связи может осуществляться различными способами. Наряду с индуктивной обратной связью (рис. 1) возможна также ёмкостная обратная связь (рис. 2, а) или автотрансформаторная обратная связь (рис. 2, б).
В схемах ламповых генераторов часто применяются т. н. параллельное питание анодной цепи (рис. 2, а, б) и автоматическое смещение сетки, создаваемое сеточным током ic. Ток ic создаёт постоянное напряжение на управляющей сетке лампы, смещающее рабочую точку анодно-сеточной характеристики в область отрицательных значений, что необходимо для получения высокого кпд (рис. 3).
Мощность ламповых генераторов - от долей вт (в измерительных и калибровочных устройствах) до десятков и сотен квт; область генерируемых частот - от десятков кгц до Ггц. Верхняя частотная граница связана, во-первых, с наличием у ламп "паразитных" ёмкостей (сетка - анод и др.), с конечным временем пролёта электронов от катода к аноду, а также с некоторыми др. факторами (см. Электронная лампа). Нижняя частотная граница обусловлена малой добротностью колебательных контуров с низкими собственными частотами.
Транзисторный генератор. Другим примером генератора почти гармонических колебаний является генератор на полупроводниковом триоде (транзисторный генератор). Здесь, так же как и в ламповом генераторе, имеется источник питания, добротный колебательный контур, а активный элемент представляет собой сочетание полупроводникового триода и цепь обратной связи. В полупроводниковых триодах (транзисторах) имеет место усиление мощности колебаний, подводимых к управляющему электроду (например, к базе), и это позволяет, так же как и в случае электронных ламп, с помощью цепи обратной связи осуществить подкачку колебательной энергии в контур для его возбуждения и поддержания режима стационарных (незатухающих) колебаний. Существуют различные схемы транзисторных генераторов. Три варианта полупроводниковых генераторов, использующих включение транзистора по схеме с общим эмиттером, показаны на рис. 4, а, б, в.
Транзисторные генераторы генерируют колебания с частотой от нескольких кгц до 1010 Ггц с мощностями от десятых долей мвт до сотен вт. Как и в ламповом генераторе, здесь при высокой добротности контура форма колебаний близка к гармонической, а частота определяется собственной частотой колебаний контура с учётом "паразитных" ёмкостей транзистора.
Отрицательное дифференциальное сопротивление. Возникновение в контуре незатухающих колебаний можно рассматривать как результат внесения в него некоторого "отрицательного" сопротивления, компенсирующего положительное активное сопротивление. В ламповом генераторе это отрицательное сопротивление создаётся лампой в сочетании с цепью обратной связи и источником питания. В отрицательного сопротивлении увеличение тока должно соответствовать уменьшению падения напряжения: