ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ процесс преобразования различных видов электрич. энергии
в энергию электрич. (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 электрич. и магнитные поля пространственно разделены.
При переходе к более высоким частотам (СВЧ и оптич. 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 идёт о получении переменных токов пром. частот,получаемых
с помощью электрич. 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 твёрдотельных),
либо путём преобразования первичных электрич. 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 к-рых 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 дополнит, цепями (цепями
обратной связи).

Если энергия, подводимая
в пассивные цепи, превосходит потери энергии в этих цепях, то любой возникший
в них коле-бат. процесс будет нарастать. Если поступление меньше потерь,
колебания затухают. Энергетич. 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 электрич.
колебаний невозможна (см. ниже).

Если цепи, в к-рых возбуждаются
и поддерживаются колебат. процессы, сами по себе обладают колебат. свойствами
(напр., 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 колебат.
цепями потери в контуре или резонаторе малы (высокая добротность колебательной
системы), то форма колебаний в них близка к синусоидальной и их наз. генераторами
почти гармонических колебаний или томсоновскими генераторами.

Ламповый генератор. Простейший
ламповый генератор почти гар-монич. колебаний состоит из колебат. контура
и электронной лампы (напр., триода) с питанием и управляющей цепью (рис.
1). В контуре под влиянием случайных электрич. колебаний возникают собственные
колебания тока и напряжения. Однако из-за потерь энергии в контуре колебания
должны затухать.

Чтобы колебания не затухали,
необходимо пополнять запас колебат. энергии в контуре, напр, 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, к-рые при правильном подборе фазы напряжения,
подаваемого на сетку лампы (цепь обратной связи), будут пополнять колебат.
энергию контура.

Рис. 1. Простейший ламповый
генератор почти гармонических колебаний; LC- колебательный контур (С -
ёмкость, L - индуктивность); U

Если усилительные свойства
лампы таковы, что пополнения колебательной энергии превосходят потери колебат.
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
к-рых определяются свойствами самой системы, наз. 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,
к-рый 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. Генераторы с ёмкостной
(а) и авто-т р ансформатор-ной (б) обратной связью.

(рис. 2,а,б) иавтоматич.
смещение сетки, создаваемое сеточным током iсоздаёт постоянное напряжение на управляющей сетке лампы, смещающее рабочую
точку анодно-сеточ-ной характеристики в область отри-цат. значений, что
необходимо для получения высокого кпд (рис. 3).

Рис. 3. Схема лампового генератора
с автоматическим смещением сетки.

Мощность ламповых генераторов
-от долей вт (в измерит, 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 нек-рыми др. факторами (см. Электронная лампа). Нижняя частотная
граница обусловлена малой добротностью колебательных контуров с низкими
собственными частотами.

Рис. 4. Транзисторные генераторы
на плоскостных триодах с индуктивной (а), автотрансфор -матерной (б) и
ёмкостной (в) обратной связью.

Транзисторный генератор.
Другим примером генератора почти гармонич. колебаний является генератор
на полупроводниковом триоде (транзисторный генератор). Здесь, так же как
и в ламповом генераторе, имеется источник питания, добротный колебат. 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
(напр., к базе), и это позволяет, так же как и в случае электронных ламп,
с помощью цепи обратной связи осуществить подкачку колебат. 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 неск. кгц до 10¹⁰гц с мощностями
от десятых долей мет до сотен em. 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 нек-рого "отрицательного" сопротивления,
компенсирующего положительное активное сопротивление. В ламповом генераторе
это отрицат. сопротивление создаётся лампой в сочетании с цепью обратной
связи и источником питания. В отрицат. сопротивлении увеличение тока должно
соответствовать
уменьшению падения напряжения:

(в обычных сопротивлениях
).

Эффект появления отрицательного
дифференциального сопротивления возникает лишь при использовании усилительных
свойств лампы или транзистора за счёт положительной обратной связи.

Однако существуют приборы,
в к-рых вольтамперная характеристика при определённых условиях имеет падающий
участок. Это соответствует тому, что в нек-рой области значений U и I имеет
место отрицат. дифференциальное сопротивление
(рис. 5), позволяющее использовать подобные приборы для Г. э. к. На.пр.,
в пентодах зависимость тока экранирующей сетки i от
напряжения на антидинатронной сетке Us имеет падающий участок (рис. 6,
а). Возникновение отрицательного сопротивления позволяет создать генератор,
наз. транзитронным (рис. 6,6). В транзитронном генераторе колебания в контуре
LC поддерживаются также за счёт отрицательного сопротивления, вносимого
в контур действием тока экранирующей сетки лампы, управляемого напряжением
на третьей антидинатронной сетке.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика
с падающим участком.

Рис. 6. a - зависимость тока
экранной сетки
пентода от напряжения на его антидннатронной сетке; 6 - схема транзитронного
генератора.

Для создания отрицательного
сопротивления можно использовать электрический разряд в газах, вольтампер-ная
характеристика которого имеет падающий участок. Напр., в определённых режимах
дугового разряда с увеличением тока I возрастает темп-pa дуги, увеличивается
количество ионов в разрядном промежутке и за счёт этого сопротивление промежутка
падает, что приводит к уменьшению падения напряжения между электродами
U. Это свойство дугового разряда использовалось в дуговых генераторах высокой
частоты, применявшихся до появления ламповых генераторов (рис. 7, а, б).

Рис. 7. а-вольт-амперная
характеристика электрической дуги; б - дуговой генератор.

Подобным же образом может
быть использована падающая характеристика туннельного диода ТД (рис. 8,
а). Если рабочая точка на характеристике диода находится на падающем участке
его характеристики, то это соответствует введению в колебат. контур отрицат.
сопротивления.

Если колебат. контур обладает
высокой добротностью, то генерируемые колебания по форме близки к гармоническим
и их частота определяется собственной частотой контура с учётом дополнит,
ёмкости диода (подключённого параллельно основной ёмкости С, рис. 8).

Рис. 8. а - генератор с туннельным
диодом (ТД); 6 - вольтамперная характеристика туннельного диода.

Амплитуда установившихся
колебаний будет определяться условием, чтобы средний наклон рабочего участка
характеристики (с учётом захода колебаний за пределы наиболее крутого участка
падающей характеристики) обеспечивал бы полную компенсацию потерь на активном
сопротивлении контура, включая и полную
нагрузку генератора Rс ТД могут генерировать колебания вплоть до частот 100 Ггц, нос весьма
малой мощностью - порядка долей мквт. На дециметровых и сантиметровых волнах
мощность таких генераторов может достигать неск. мвт. Они, будучи чрезвычайно
компактными и экономичными, наиболее успешно применяются в качестве гетеродинов
в радиоприёмниках СВЧ диапазона. Полупроводниковые генераторы (как и ламповые)
не могут генерировать очень высокие частоты (в области сантиметровых и
более коротких волн). В этой области частот используются, как правило,
устройства с объёмными резонаторами (вместо контуров).

Большинство приведённых ранее
понятий (активный элемент, пассивные цепи, отрицат. сопротивление и др.)
в полной мере применимо лишь к устройствам, состоящим из сосредоточенных
элементов (лампа, сопротивление, конденсатор, катушка индуктивности и т.
д.), размеры к-рых много меньше длины волны X. Продвижение в область СВЧ
привело к созданию генераторов, представляющих собой системы с распределёнными
параметрами. В этих устройствах для Г. э.к. используются различные явления,
возникающие в электронных потоках в вакууме, в плазме или при прохождении
тока через некоторые твёрдые тела, напр, полупроводники. В этих случаях
не всегда применимо само понятие элект-рич. цепи и невозможно выделять
раздельно пассивные цепи и активный элемент.

Магнетронный генератор. В
магнетронном генераторе колебания СВЧ возбуждаются в системе объёмных резонаторов
(полости с проводящими стенками). Резонаторы расположены по окружностям
массивного анода и их собственная частота v определяется диаметром полости
и шириной щели, соединяющей каждую полость с общим пространством, в центре
к-рого расположен катод (рис. 9). Магнитное поле, искривляя траектории
электронов, движущихся от катода К к аноду А, формирует общий электронный
поток, пролетающий последовательно вдоль щелей резонаторов. Магнитное поле
подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по траекториям,
почти касающимся щелей. Т. к. в резонаторах за счёт случайных токов неизбежно
возникают слабые электрич. колебания, то около щелей существуют слабые
переменные электрич. поля Е. Пролетая в этих полях, электроны в зависимости
от их направления относительно поля Е либо ускоряются, отбирая энергию
у резонатора, либо тормозятся, отдавая часть энергии резонаторам. Электроны,
ускоренные полем первого же резонатора, возвращаются на катод. Заторможенные
(рабочие) электроны попадают в поле следующих резонаторов, где они также
будут тормозиться, если попадают туда в "тормозящие" полупериоды электромагнитного
поля. Путём соответствующего подбора скорости электронов (анодного напряжения
Uбольше отдавали энергии резонаторам, чем забирали у них. Тогда колебания
в резонаторах будут нарастать. Нелинейность характеристик магнетрона обеспечивает
установление постоянной амплитуды генерируемых колебаний. Отбор энергии
может производиться из любого резонатора с помощью петли связи П.

В магнетроне источником питания
является источник анодного напряжения U- резонаторы. Роль активного элемента, обеспечивающего преобразование постоянной
энергии в энергию электрич. колебаний, играет электронный поток, находящийся
под действием магнитного поля.

Рис. 9. Магнетронный генератор;
А -анод; К - катод; П - петля связи.

Магнетроны генерируют гармонич.
колебания в диапазоне частот от 300 Мгц до 300 Ггц. Кпд магнетронных генераторов
достигает 85%. Обычно магнетроны используются для получения колебаний больших
мощностей (неск. Мвт) в импульсном режиме и десятков квт при непрерывной
генерации (подробнее см. Магнетрон).

Рис. 10. Клистронные генераторы;
а - отражательный клистрон; б - двухрезона-торный пролётный клистрон; С
- сетки резонатора; А - анод; К - катод.

Клистронный генератор. Клистронный
генератор также содержит объёмный резонатор, в к-ром колебаниявозбуждаются
и поддерживаются электронным потоком. Поток электронов, испускаемый катодом
К (рис. 10,а),ускоряется электрич. полем, создаваемым источником питания.
В отражательном клистроне электроны пролетают через сетки объёмного резонатора
С и, не достигая анода А, потенциал к-рого отрицателен относительно сеток
резонатора, отражаются, пролетают через резонатор в обратном направлении
и т. д. Если бы электроны пролетали через резонатор сплошным потоком, то
в течение одного полупсриода колебаний резонатора они отдавали бы резонаторам
энергию, а в течение второго полупериода отнимали бы это же количество
энергии у резонатора, и Г. э. к. было бы невозможно. Если же электроны
влетают в резонатор отд. "сгустками", причём в такие моменты, когда резонатор
их тормозит, то они отдают резонатору энергии больше, чем забирают у него.
При этом электронный поток усиливает возникшие в резонаторе случайные колебания
и поддерживает их с постоянной амплитудой. Т. к. группирование электронного
потока в сгустки происходит за время, соответствующее неск. периодам колебаний,
то протяжённость "пространства группировки" задаётся скоростью электронов
и частотой генерируемых колебаний. Благодаря этому наибольшее распространение
кли-стронные генераторы имеют в сантиметровом и миллиметровом диапазонах
длин волн. Мощность клистронов невелика - от неск. мет в миллиметровом
диапазоне до песк. вт в сантиметровом. Мощность двухрезонаторных пролётных
кли-стронных генераторов (рис. 10, б) в сантиметровом диапазоне может составлять
десятки вт (подробнее см. Клистрон).

Квантовые пучковые генераторы.
В квантовых генераторах роль высокодобротной колебат. системы выполняют
возбуждённые атомы или молекулы активного вещества. Переходя из возбуждённого
состояния в невозбуждённое, они излучают порции (кванты) электромагнитной
энергии, равные hv, где h - Планка постоянная, v - частота электромагнитных
колебаний, характерная для данного сорта атомов. Источником энергии являются
возбуждённые атомы и молекулы, а для отбора возбуждённых молекул служит
сортирующая система. Напр., в молекулярном генераторе на аммиаке источником
питания является источник молекулярного пучка аммиака. Объёмный резонатор,
в котором находится активное вещество, осуществляет обратную связь, вызывая
с помощью электромагнитного поля вынужденное излучение молекул и вложение
колебат. энергии, компенсирующее потери, включая отбор энергии во вне.
Аммиачный генератор работает на частоте 23,870 Ггц с весьма __ стабильной
и узкой спектральной линией генерируемых колебаний за счёт высокой добротности
квантового перехода. Высокая стабильность частоты колебаний, генерируемых
квантовыми генераторами в радиодиапазоне (на аммиаке, водороде, синильной
кислоте и др.), позволяет использовать их как квантовые стандарты частоты.

Релаксационные генераторы.
Существует широкий класс генераторов, у к-рых пассивные цепи, где возбуждаются
и поддерживаются колебания, не обладают колебат. свойствами (контуры с
большими потерями
и др. апериодич. цепи, напр, комбинации ёмкостей С и сопротивлений R или
индуктивностей L и сопротивлений R). В подобных генераторах за каждый период
колебаний теряется и вновь пополняется значит, часть всей колебат. энергии.
Период генерируемых колебаний при этом определяется временем релаксации
(процесса установления равновесия) в этих цепях. Такие генераторы наз.
релаксационными. В этом случае форма колебаний определяется совместно свойствами
колебат. цепей и активного элемента и может быть весьма разнообразной -
от скачкообразных, почти разрывных колебаний (напр., мультивибраторы) до
колебаний, сколь угодно близких к гармоническим (RC-генераторы синусоидальных
колебаний). Эга особенность релаксационных генераторов широко используется
для получения электрич. колебаний спец. формы, напр, прямоугольных импульсов,
пилообразного напряжения (рис. 11) и тока, а также для генерации гармонич.
колебаний звуковой и сверхнизкой частот.

Рис. 11. Пилообразное напряжение.

Тиратронный генератор пилообразного
напряжения - простейший релаксационный генератор (рис. 12,а). У тиратрона
напряжение зажигания выше напряжения гашения. Его напряжение U изменяется
практически линейно со временем до нек-рого макс, значения, а затем достаточно
быстро падает до нач. величины (рис. 11). Т. к. вольтамперная характеристика
тиратрона обладает падающим участком характеристики (12,6), то процесс
зарядки ёмкости С до напряжения зажигания тиратрона происходит медленно,
после чего накопленный на ёмкости заряд быстро разряжается через тиратрон;
напряжение на нём падает до значения, при к-ром тиратрон гаснет. При этом
внутр. сопротивление тиратрона становится большим, в результате чего зарядка
ёмкости С повторяется, и т. д. Период колебаний определяется временем зарядки
и разрядки ёмкости, т. е. временем релаксации цепи RC.

Рис. 12. а - тиратронный
генератор; 6 - вольтамперная характеристика тиратрона.

Высокую степень линейности
изменения напряжения на ёмкости можно получить, применяя вместо сопротивления
R в тиратронном генераторе устройство (напр., пентод), поддерживающее постоянный
ток в процессе зарядки конденсатора, или применяя отрицат. обратную связь.
Частотой колебаний тиратронного
генератора можно (в известных пределах) управлять, подавая синхронизирующее
напряжение на сетку тиратрона.

В тиратронном генераторе
за период колебаний происходит полный энергообмен. Вся энергия, запасённая
в конденсаторе за время зарядки, расходуется за время его разрядки через
тиратрон. В этой системе нет цепей, в к-рых возможны колебат. процессы
в отсутствие источников питания.

Рис. 13. Мультивибратор на
транзисторах Т

Мультивибратор на электронных
лампах или транзисторах представляет собой двухтактное устройство, в к-ром
Г. э. к. осуществляется путём попеременной зарядки и разрядки двух ёмкостей
CТтранзисторы Ти так же попеременно происходят зарядка и разрядка ёмкостей Си Ссхемы соответствуют быстрой смене разряда на заряд, отпиранию и запиранию
транзисторов (рис. 13, б). Однако эти быстрые процессы протекают так, что
запас энергии в ёмкости изменяется непрерывно.

Различные варианты мультивибраторов
применяются для получения периодич. напряжений различной формы, необходимых
для работы электронных устройств. Период колебаний определяется временами
релаксации цепей, содержащих транзисторы. Колебания возможны лишь за счёт
поддержания в системе непрерывно сменяющихся процессов зарядки и разрядки
в цепях RC, не обладающих собственными колебательными свойствами.

RC-генератор синусоидальных
колебаний также не содержит колебат. цепей. Однако за счёт выбора цепи
управления активным элементом (электронной лампой, транзистором) условия
Г. э. к. выполняются лишь для одного гармонич. колебания с частотой, определяемой
временем релаксации цепочек RC (рис. 14). Напр., в RC-генераторе с электронной
лампой термистор поддерживает усиление лампы на уровне, лишь
немного превышающем критич. уровень, соответствующий условию самовозбуждения.
С ростом тока растёт темп-pa
термистора и увеличивается его сопротивление, что, в свою очередь, ведёт
к снижению крутизны характеристики лампы за счёт возникновения отрицат.
обратной связи. Т. к. работа при этом происходит практически на линейной
части характеристики лампы, то условия Г. э. к. будут выполняться лишь
для одной частоты.

Рис. 14. RС - генератор синусоидальных
колебаний; Т - термистор; r - сопротивление нагрузки.

В подобном устройстве происходит
полный энергообмен за каждый период колебания. При отключении источника
питания колебания исчезают, и в системе могут иметь место лишь апериодич.
релаксационные процессы. С помощью RC-генератора получают гармонич. колебания
в диапазоне частот от долей гц до десятков и сотен кгц. RC-генерато-ры
широко применяются как источники эталонных колебаний.

Генератор Ганна представляет
собой небольшой (