3.2. Генераторы с внешним возбуждением
По существу представляет собой резонансный усилитель мощности синусоидальных колебаний.
Рис.3.3. Резонансный усилитель мощности
синусоидальных колебаний
Графики напряжений и тока для такого генератора ничем не отличается от ранее рассмотренных.
Энергетические соотношения для генератора:
Подводимая к генератору от источника анодного напряжения мощность
Мощность генерируемых колебаний, выделяющаяся в анодном контуре
Не заторможенные полностью полем контура электроны ударяются об анод лампы, затрачивая при этом остаток своей кинетической энергии на нагревание анода
Мощность, рассеиваемая на аноде
Важнейшей характеристикой всякого генератора как преобразователя энергии является электронный КПД, под которым понимают отношение генерируемой мощности к потребляемой
3.3. Режимы работы генератора
Различают режимы I и IIрода.
Режим Iрода – без отсечки анодного тока.
Режим Iрода в мощных генераторах не используется. Он применяется для усиления сигнала без искажения. В режиме IIрода выбором угла отсечки можно добиться КПД больше 50%.
Для обеспечения максимальной генерируемой мощности P надо выбирать угол отсечки 120.
При этом 50% <2. Для обеспечения высокого КПД необходимо выбирать 0, но при этом P0. На практике выбирают угол отсечки 70<<90. При этом P существенно не уменьшается, а >>50%.
Но если требуется неискаженная передача сигнала в маломощных генераторах выбирается равным 180.
3.4. Автогенераторы
Автогенератором называют устройство, в котором энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию тока высокой частоты без подачи извне возбуждающего напряжения.
Генераторы с самовозбуждением отличаются от генераторов с внешним возбуждением наличием обратной связи. На рисунке 3.4 изображена схема генератора с самовозбуждением, в котором обратная связь осуществляется через трансформатор, связывающий анодную и сеточную цепи лампы. Наличие обратной связи создает возможность для возбуждения в схеме устойчивых колебаний без воздействия внешнего источника.
Рис. 3.4. Схема генератора с трансформаторной обратной связью
В момент включения во всех цепях генератора проходят кратковременные импульсы токов, заряжающих емкости схемы. Одиночный импульс образует сплошной спектр колебаний, одно из которых обязательно совпадает с собственной частотой колебательных систем генератора. Колебание возбудит контур и по цепи обратной связи на сетку лампы поступит напряжение данной частоты. Под действием его анодный ток лампы станет изменяться с той же частотой, переменная составляющая его, проходя через контур, будет усиливать возникающие в нём колебания. Амплитуда их будет нарастать до тех пор пока, приносимая в контур не сравнится с энергией возрастающих потерь. После чего в схеме установятся колебания с постоянной амплитудой. Этот процесс называется самовозбуждением генератора.
3.5. Кварцевая стабилизация частоты.
Используются следующие методы стабилизации: параметрическая стабилизация частоты, метод синхронизации внешними колебаниями, кварцевая стабилизация частоты, стабилизация с применением систем автоматической подстройки частоты (АПЧ), стабилизация с применением квантовых генераторов.
Стабильность частоты автогенератора повышается, если использовать в нём колебательную систему с высокой эталонностью и добротностью. Этими свойствами обладают пьезоэлектрические резонаторы, изготовленные из некоторых искусственных кристаллов, например кварца. Кварц – это природный минерал, представляющий собой разновидность кремнезёма (SiO2). Форма таких кристаллов напоминает шестигранную призму с пирамидами в основаниях (рис. 3.5). Для изготовления резонатора из призматической части кристалла вырезают прямоугольные или круглые плоскопараллельные пластины, ориентированные определённым образом к осям кристалла.
Рис.3.5. Кристалл кварца
Устройство простейшего кварцевого резонатора напоминает устройство плоского конденсатора.
Переменное напряжение, приложенное к электродам резонатора, вызывает механическую деформацию пластины (сжатие – растяжение, сдвиг, изгиб и т.д.), интенсивность которой пропорциональна напряжённости электрического поля. В свою очередь, деформация кварцевой пластины приводит к возникновению зарядов на электродах резонатора. Эти явления обусловлены действием обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта, присущего кристаллам кварца. Таким образом, в цепи кварцевого резонатора в дополнение к току, соответствующему обычной статической емкости С0, создаётся ток стекания зарядов (пьезоток). Величина пьезотока резко возрастает при совпадении частоты приложенного напряжения с каждой (из многих) собственной резонансной частотой упругих механических колебаний пластины кварца. Это объясняется тем, что при совпадении частоты приложенного напряжения с одной из его собственных частот наступает резонанс, и интенсивность механических колебаний достигает наибольшей величины. При этом заряды на гранях кварцевой пластины имеют максимальное значение, а следовательно, максимальное значение имеет и амплитуда тока стекания зарядов. Подобное изменение тока характерно для последовательного колебательного контура. Поведение резонатора в электрической цепи в районе одной из его собственных частот (основной) соответствует схеме, представленной на рис. 3.6. Эта схема является эквивалентной схемой кварцевого резонатора и состоит из параллельно соединённых статической ёмкости С0 и последовательного колебательного контура Lкв ,Скв ,rкв. моделирующего изменение кварца при изменении его частоты вблизи основной механической резонансной частоты.
Рис. 3.6. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Ёмкость С0 ~ 3…10 пФ представляет собой сумму ёмкостей конденсатора с кварцевым диэлектриком диэлектриком, кварцедержателя и выводов. Индуктивность Lкв (очень большая) и ёмкость С0 (очень маленькая) характеризует соответственно инерционные и упругие свойства пластины кварца, а сопротивление rкв (очень маленькое) – потери энергии в ней (на трение и излучение звуковых и ультразвуковых колебаний). Параметры эквивалентной схемы кварца можно определить как путём расчёта, так и экспериментально.
Следует подчеркнуть, что изготовить обычный колебательный контур с такими параметрами не представляется возможным. Так, например, добротность серийных кварцевых резонаторов на основной частоте составляет несколько десятков тысяч, а у специальных (прецизионных) достигает нескольких миллионов, в то время как у лучших LС-контуров она не превышает 150…200 в коротком диапазоне и десяти тысяч в диапазоне СВЧ. Кроме того, кварцевый резонатор обладает высокой эталонностью.