Ламповые генераторы с самовозбуждением

Ламповые генераторы с самовозбуждением преобразуют энергию постоянного тока или тока промышленной частоты в токи высокой частоты. Подобное преобразование возможно лишь при использовании в схеме нелинейного элемента. Основной задачей автогенератора является возбуждение колебаний высокой частоты в радиопередающем устройстве. Поэтому одно из важнейших требований, предъявляемых к нему, это требование постоянства вырабатываемой (генерируемой) частоты. От стабильности частоты автогенератора зависит качество работы всего устройства.

Ламповый генератор с самовозбуждением, или первоначальный возбудитель, является первоисточником высокочастотных колебаний. Он состоит из лампы, колебательного контура, источников питания и цепи обратной связи.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в схеме генератора, приведенной на рис. 165.

Рис. 165. Схема генератора с самовозбуждением с трансформаторной обратной связью (а) и векторная диаграмма (б).

При включении схемы в анодной цепи появляется возрастающий анодный ток. Он не достигает мгновенно своего максимального значения, так как этому препятствует э. д. с. самоиндукции, возникающая в катушке обратной связи L_св. Около нее появляется постоянное по направлению и возрастающее магнитное поле, благодаря чему в контурной катушке наводится э. д. с. взаимоиндукции. По контуру проходит ток и конденсатор С заряжается до некоторого напряжения U_с. Как только ток в анодной цепи установится, э. д. с. взаимоиндукции исчезает. Конденсатор С начнет разряжаться на индуктивность L. В контуре возникает затухающий колебательный процесс с частотой, равной частоте собственных колебаний контура ω₀= 1/√LC.

Напряжение на конденсаторе, меняющееся с частотой ω₀, является одновременно и напряжением на управляющей сетке. Поэтому в анодной цепи появляется переменная составляющая анодного тока I_a~, изменяющаяся в фазе с напряжением U_с (см. векторную диаграмму, рис. 165, б). Около катушки Lсв снова появляется переменное магнитное поле, а в катушке L наводится переменная э. д. с. взаимоиндукции Е_м, сдвинутая по фазе по отношению к создающему ее току на 90°. Угол сдвига по фазе, в зависимости от подключения концов катушки обратной связи, может быть как положительным, так и отрицательным.

Ток в контуре изменяется в фазе с э. д. с. взаимоиндукции, так как ее частота совпадает с частотой собственных колебаний контура, который при резонансе представляет активное сопротивление. Контурный ток создает на конденсаторе С напряжение U'_С, отстающее от тока на 90°. Таким образом, за счет обратной связи на емкости контура С возникает напряжение U'_С, которое может меняться либо в фазе с первоначальными колебаниями контура, либо в противофазе.

Для того чтобы поддержать колебательный процесс в контуре, необходимо, чтобы энергия, поступающая из анодной цепи в сеточную, была в фазе с первоначальными колебаниями. Однако может оказаться, что эта энергия будет недостаточной для поддержания незатухающих колебаний в контуре. Тогда необходимо увеличить связь между катушками L и L_св.

Отсюда следует, что для самовозбуждения схемы необходимо, чтобы энергия, поступающая из анодной цепи в сеточную, имела как определенную фазу, так и определенную величину, т. е. необходимо выполнение условия баланса фаз и баланса амплитуд.

Баланс амплитуд обеспечивается путем подбора необходимой величины обратной связи, а баланс фаз — правильным подключением элементов цепи обратной связи (так, чтобы соблюдалась противофазность напряжений на аноде и на управляющей сетке).

Как можно видеть, принцип работы автогенератора отличается от принципа работы обычного усилителя лишь тем, что у первого напряжение возбуждения на управляющую сетку подается с нагрузки, включенной в анодную цепь, а не от постороннего источника напряжения, как у второго. Кроме того, нормальная работа генератора с самовозбуждением имеет место лишь в том случае, если в начальный момент времени (при включении схемы) ничтожно малые флуктуационные процессы в схеме уже выводят генератор из состояния неустойчивого равновесия, приводят к непрерывному возрастанию колебаний в контуре. Это возможно только тогда, когда энергия, поступающая в контур за счет обратной связи, будет не только восполнять потери энергии, но и увеличивать ее запасы.

Непрерывный процесс увеличения колебаний имеет место до тех пор, пока в генераторе не установится некоторый стационарный анодный ток I_а1 = S_ср·U_mc, где S_ср — средняя крутизна характеристики лампы. После этого рост анодного тока прекращается, так как с увеличением амплитуды напряжения возбуждения уменьшается и крутизна. Если при этом, как уже отмечалось выше, колебания, по сравнению со стационарными, уменьшаются, то в контур должна поступать большая энергия для восстановления стационарного режима.

Обозначая мощность потерь в контуре за период через ΔР, а мощность, вносимую в контур за счет обратной связи в течение этого же времени, через ΔР_вн, можно получить следующее выражение для оставшейся мощности потерь в контуре:

ΔР' = ΔР — ΔР_вн = 0,5I²_кR - 0,5I²_кР_вн = 0,5I²_к(R-R_вн) = 0,5I²_кR'_к,

где R — сопротивление активных потерь в контуре; R_вн — вносимое активное сопротивление, учитывающее появление в контуре добавочной энергии за счет положительной обратной связи, которая приводит к увеличению энергии в контуре или, иначе, к уменьшению потерь; R'_к — результирующее активное сопротивление контура с учетом влияния обратной связи.

Таким образом, приходим к следующим двум основным выводам:

Для самовозбуждения схемы необходимо наличие в ней отрицательного активного сопротивления R_вн, на котором фазы напряжения и тока были бы противоположны (т. е. чтобы вольт-амперная характеристика системы имела падающий характер), а угловой коэффициент, определяющий сопротивление системы, — отрицательным.

Для установления количественных соотношений при самовозбуждении воспользуемся эквивалентной схемой лампового генератора и графиками, приведенными на рис., 166.

В эквивалентной схеме (рис. 166, а) сопротивление R_э.п представляет собой сопротивление нагрузки с учетом следующих каскадов или цепей; R'_i - приведенное внутреннее сопротивление лампы.

Рис. 166. Эквивалентная схема (а) и колебательные характеристики (б) возбудителя.

Эквивалентную схему рассчитываем применительно к первой гармонике анодного тока, так как при достаточно высокой добротности контура влияние высших гармоник можно не учитывать. Тогда

Откуда

(290)

Если учесть, что проницаемость лампы D << 1, то этой величиной можно пренебречь, и тогда

(291)

где S_cр=S/α₁— средняя крутизна.

Формула (291) определяет напряжение возбуждения, обеспечивающее стационарный режим возбудителя. Именно такое напряжение и необходимо создать на сетке лампы за счет обратной связи.

Напряжение возбуждения U_mc можно определить также через коэффициент обратной связи:

U_mc = K_βI_а1R_э.п (292)

Уравнение (292) показывает, что при данном коэффициенте обратной связи и сопротивлении нагрузки зависимость между амплитудой первой гармоники анодного тока и амплитудой напряжения возбуждения имеет линейный характер. Приравняв уравнения (290) и (292), нетрудно получить аналитическое выражение, определяющее баланс амплитуд:

K_βS_срR_э.п (293)

На рис. 166, б приведены колебательные характеристики генератора А и В, представляющие зависимость первой гармоники анодного тока I_а1 от амплитуды напряжения возбуждения U_mc и построенные в соответствии с формулой (291). Форма колебательной характеристики определяется средней крутизной, характер изменения которой обусловлен режимом работы лампы. Поэтому в режиме колебаний I рода, когда первоначальная рабочая точка находится примерно на середине линейного участка характеристики, колебательная характеристика (кривая А) выходит из начала координат, причем анодный ток растет вначале по линейному закону. В дальнейшем, с увеличением U_mc, рост анодного тока замедляется из-за уменьшения средней крутизны S_ср. При некотором значении U_mс первая гармоника анодного тока I_а, достигает максимального значения, после чего, при дальнейшем увеличении U_mс, падает.

В режиме колебаний II рода крутизна при изменении U_mс изменяется по более сложному закону. Это иллюстрирует кривая В, представляющая колебательную характеристику при работе лампы с углом отсечки θ = 90°. С увеличением амплитуды напряжения возбуждения ток I_а1 возрастает уже не по линейному закону, так как крутизна S_ср нелинейно увеличивается до максимального значения, равного крутизне линейного участка характеристики. Далее идет линейный участок колебательной характеристики, которому соответствует S_ср = S, и, наконец, при дальнейшем увеличении напряжения возбуждения амплитуда первой гармоники анодного тока, достигнув некоторого максимума, начинает падать. Если лампа работает в режиме колебаний II рода при θ <90°, то колебательная характеристика окажется сдвинутой вправо (пунктирная кривая В'), она начинается не из начала координат, а от некоторого значения U₅.

На графиках колебательных характеристик показаны также прямые обратной связи, соответствующие уравнению (292) и построенные при различных коэффициентах обратной связи (прямые обратной связи тем круче, чем меньше коэффициент обратной связи).

Прямая 1 соответствует малому коэффициенту обратной связи. Она не пересекается с колебательной характеристикой, а это означает, что самовозбуждение генератора невозможно. По мере увеличения коэффициента обратной связи наклон прямой обратной связи увеличивается, она приближается к колебательной характеристике и становится ее касательной (прямая 2). Минимальное значение коэффициента обратной связи, при котором наступает самовозбуждение, можно определить из уравнения [293]:

где S— крутизна среднего участка характеристики.

Устойчивый процесс самовозбуждения имеет место при К_β>K_βмин. При этом прямая обратной связи пересекает колебательную характеристику в точке К. Состояние покоя, когда токи равны нулю, является неустойчивым, и поэтому в результате внешних воздействий или флуктуации внутри самой системы возникает переменное напряжение на сетке U₁. В анодной цепи появляется анодный ток I'_а1, который, в свою очередь, за счет обратной связи, вызовет появление на сетке напряжения U₂ и соответствующего ему тока I_а1, и т. д., до тех пор, пока не будет достигнута точка К, соответствующая стационарным значениям тока и напряжения.

При этом режим генератора будет таким, что любые случайные изменения напряжения или тока вызовут лишь кратковременный переходный процесс, возвращающий систему в стационарное состояние. Так, при случайных увеличениях тока I_а1 выше стационарного, например до величины I"'_а1, на управляющей сетке появится напряжение U₃, которому соответствует меньшее значение тока I_а1, определяемое по колебательной характеристике. Это приведет к уменьшению напряжения на управляющей сетке. Такое возбуждение колебаний называется мягким.

Нетрудно также показать, что для самовозбуждения системы в режиме колебаний второго рода необходимо обеспечить больший коэффициент обратной связи.

Прямая обратной связи 4 пересекает колебательную характеристику в двух точках: в начале координат, в точке D, и в точке С. Точка D является точкой неустойчивого самовозбуждения, так как малейшее случайное уменьшение напряжения на управляющей сетке приводит к срыву колебаний; увеличение напряжения на управляющей сетке приводит к нарастанию колебаний до точки С, которая соответствует стационарным, устойчивым колебаниям. Такое возбуждение колебаний называется жестким. При жестком возбуждении необходим первоначальный импульс тока, который вызвал бы появление на управляющей сетке напряжения с амплитудой, превышающей U₄.

Основываясь на изложенном, можно сделать вывод, что наиболее легко возникает мягкое самовозбуждение, однако при θ — 180° генератор имеет низкий к. п. д. При проектировании генераторов предпочтение отдают автоматическому сеточному смещению. В этом случае при отсутствии колебаний смещения нет и осуществляется мягкое возбуждение. По мере возрастания колебаний увеличиваются напряжение возбуждения и напряжение смещения, появляется отсечка анодного тока, что вызывает повышение к. п. д.