книги из ГПНТБ / Основы радиотехники и радиолокации учеб. пособие

§ 4. 8. Автогенераторы на RC

Автогенераторы с колебательным контуром незаменимы как источники высокочастотных колебаний. Для генерирова­ ния низкочастотных колебаний (ниже 15— 20 кгц) они неудоб­ ны, так как колебательный контур получается слишком гро­ моздким и трудноперестраиваемым. В связи с этим для ге­ нерирования низкочастотных синусоидальных колебаний ма­ лой мощности широко используют так называемые RC-re- нераторы.

R C -генераторы главным образам применяются в схемах генераторов звуковых колебаний, используемых в различной

измерительной аппаратуре и в специальных схемах.

R C -генераторы бывают одноламповые (трехзвенные, четырехэвенные), двухламповые и другие.

170

Рассмотрим устройство и работу трехзвенного однолампо­ вого R C -генератора (рис. 4.24).

Отличие данного автогенератора от обычного с контуром L C заключается в том, что вместо нагрузочного колебатель­ ного контура здесь применен резистор Ra, а обратная связь осуществляется при помощи цепи R C , состоящей из трех: звеньев.

Рис. 4. і24. Автогенератор на RC,

Основные элементы схемы — лампа, источник анодного5

Фазосдвигающая цепочка является цепью обратной связи. Она также обеспечивает сдвиг по фазе между переменным напряжением на аноде лампы и переменным напряжением ІІзг подаваемым на сетку лампы с резистора R3. Это необходимо для выполнения фазового условия самовозбуждения.

Рассмотрим физические процессы в схеме. Под действием флуктуаций анодного тока анодное напряжение всегда изме­ няется в небольших пределах со всевозможными частотами, которые и являются причиной самовозбуждения генератораПри этом он генерирует колебания той частоты, для которой выполняются амплитудное и фазовое условия самовозбужде­ ния. Фазовое условие в данной схеме может быть выполненотолько для одной частоты, для которой фазосдвигающая цепь» обеспечивает сдвиг по фазе точно на 180°.

Если элементы всех трех звеньев фазосдвигающей цепи’ одинаковы, то каждый из них должен обеспечить сдвиг по фа­ зе на 60°.

171

Рис. 4. 25 Векторная диаграмма физических процессов трехзвенного RC-генератора.

Физические процессы при работе схемы представлены век­ торной диаграммой на рис. 4.25.

Докажем, что в этой схеме могут быть выполнены усло­ вия самовозбуждения. Отложим вправо вектор переменного напряжения на аноде, имеющего частоту, для которой фазо­

тым по фазе относительно переменного напряжения на аноде на 180°. Оно прикладывается к участку сетка-катод лампы и является напряжением обратной связи.

Таким образом, в этой схеме выполняется на некоторой частоте фазовое условие самовозбуждения.

Амплитудное условие самовозбуждения может быть осу­ ществлено выбором величин элементов звеньев фазосдвигаю­

172

щей цепи так, чтобы напряжение обратной связи было доста­ точно большим для поддержания колебаний, возникших в анодной цепи.

Ясно, что напряжение на резисторах звеньев постепенно убывает, так как каждое звено, состоящее из R и С , представ­ ляет собой делитель напряжения. Поэтому ц3 получается не­

Если все звенья имеют одинаковые сопротивления рези­ сторов и емкости конденсаторов, то частоту генерируемых ко­ лебаний можно определить по формуле

2*1/ 6 R C ’

где R — сопротивление любого звена;

С — емкость конденсатора любого звена.

Частоту генерируемых колебаний подбирают одновремен­ ным изменением сопротивлений или емкостей звеньев.

Рассмотренный R C -генератор работает только при на­ личии в его анодной цепи резистора Ra, так как только бла­ годаря ему при флуктуациях анодного тока возникает пере­ менное напряжение на аноде.

Выходное напряжение снимается с анода лампы через раз­

173

(единицы, сотни герц) более просты — имеют меньшие раз­ меры и стоимость.

§4. 9. Автогенераторы метровых

идециметровых волн

А. Особенности автогенераторов ультракоротких волн

Автогенераторы УК В имеют ряд специфических особенно­ стей, которые объясняются тем, что в этом диапазоне конту­ ры с сосредоточенными параметрами имеют низкую доброт­ ность

где

Кроме того, в диапазоне У К В междуэлектродные емкости и индуктивности выводов ламп соизмеримы с емкостью и ин­ дуктивностью контуров, а время пролета электронов в лампе сравнимо с периодом генерируемых колебаний.

Б. Особенности работы генераторных ламп на У К В

Для генерирования ультракоротких волн (УКВ) обычные генераторные лампы почти непригодны. Поэтому применяют­ ся специальные генераторные лампы. Это вызвано тем, что на работу ламп на УК В оказывают влияние:

—междуэлектродные емкости и индуктивности вводов

ламп;

—конечное время пролета электронов между электрода­ ми ламп;

—потери энергии высокочастотных колебаний в лампе.

Возрастание потерь в лампр в диапазоне У К В объясняет­ ся увеличением:

—диэлектрических потерь в изоляторах и стекле бал­

лона;

—потерь на вихревые токи в металлических частях лампы; —■ сопротивления вводов за счет поверхностного эффекта;

—излучения энергии непосредственно из лампы.

174

В л и я н и е на р а б о т у а в т о г е н е р а т о р а к о ­ н е ч н о г о в р е м е н и п р о л е т а э л е к т р о н о в

м е ж д у э л е к т р о д а м и л а м п ы (тпр)

Время, в течение которого электроны пролетают от катода до анода лампы, называется временем пролета электронов в лампе.

Время пролета зависит от расстояния между анодом и ка­ тодом и от величины анодного и сеточного напряжений, опре­

или тпр~0,01 Т.

За время пролета электронов напряжение на сетке изме­ няется незначительно. Поэтому количество электронов, под­

При этом за время пролета электронов напряжение на сетке лампы изменяется в больших пределах. Значит, количество электронов, подлетающих к сетке и отлетающих от нее, неоди­ наково.

Наведенный ток в сеточной цепи создает потери, которые с увеличением частоты возрастают. Таким образом, лампа на УК В теряет самое ценное свойство ■— управлять электрон­ ным потоком с минимальной затратой энергии.

Кроме того, вследствие соизмеримости периода колебаний со временем пролета электронов на У К В появляется дополни­ тельный сдвиг по фазе между переменными составляющими

175

анодного напряжения и тока (на длинных, средних и корот­ ких волнах они практически в противофазе).

Экспериментально установлено, что если т„р^ 0 ,1 Т, то лампа работает удовлетворительно. При тпр>0,1 Т потери уве­

личиваются, к. п.д. уменьшается. При тпр = —— Т генератор

перестает генерировать, так как потери очень возрастают. Уве­ личение потерь здесь связано с несоблюдением фазового ус­ ловия самовозбуждения.

В л и я н и е м е ж д у э л е к т р о д н ы х е м к о с т е й

L a SB

Рис. 4.26. Эквивалентная схема лампы на УКВ: LaBB, LgBB, П'вв — индуктивности анодного, сеточного и катодного вво­ дов; Cag, CgK, Сак —■проходная, входная и выходная ем­ кости.

На длинных, средних и коротких волнах емкость контура генератора С к > С 0бщ, а индуктивность его Lk> L 064 . вв. П о­ этому междуэлектродные емкости и индуктивности вводов лампы почти никакого влияния на работу генераторов не ока­ зывают.

176

вводов. Поэтому они оказывают большое влияние на работу генератора. Это влияние выражается в том, что междуэлек­ тродные емкости и индуктивности вводов лампы ограничива­ ют максимально возможную частоту генерируемых колебаний, уменьшают к.п.д., вызывают нежелательное самовозбуждение многокаскадного генератора.

Пример. Пусть колебательный контур образован одними только индуктивностями вводов и междуэлектродными емко­

^(М)==*'1,88|^Спф•L(MKI-H) = 1,88 V 10-0,1 = 1,88 м .

Это значит, что генератор на данной лампе не может гене­ рировать колебания с длиной волны короче А = 1,8 8 л4, если даже уменьшить индуктивность и емкость контура до нуля.

Исходя из рассмотренного выше, генераторные лампы на УКВ должны иметь следующие конструктивные особенности:

а) малые междуэлектродные расстояния; б) вводы, допускающие протекание значительных токов; в) малую индуктивность вводов;

г) конструкцию катода, обеспечивающую значительную ве­ личину тока эмиссии.

В. Особенности контуров генераторов УКВ

Частота колебаний, возбуждаемых генератором, определя­ ется параметрами его контура (колебательной системы). Для повышения частоты колебаний нужно уменьшать емкость и индуктивность контура. Но при этом в нем увеличиваются потери высокочастотной энергии. На самом деле, при увели­ чении частоты генерируемых колебаний:

— уменьшается толщина поверхностного слоя, по которо­ му проходит переменный ток, поэтому возрастают активное сопротивление катушки и тепловые потери;

— возрастают потери на излучение, так как геометрические размеры деталей контура становятся соизмеримыми с длиной

волны;

— увеличиваются потери в диэлектрике конденсатора, кар­ касе катушки, изоляторах и других деталях.

Минимально возможная емкость контура генератора УК В определяется междуэлектродными емкостями лампы, емко­ стью монтажа и мсждувитковой емкостью катушки. Ее труд­ но сделать менее 10 пф. В этих условиях повышение резо­

177

нансной частоты контура может быть достигнуто только уменьшением его индуктивности. Но при этом снижается вол­ новое сопротивление р, а значит и добротность контура

что ведет к уменьшению резонансного сопротивления конту­ ра (ZKPe3= Q-p) и полезной мощности генератора. Поэтому в генераторах УКВ колебательные контуры с сосредоточенны­ ми параметрами применять не рекомендуется. И х можно ис­ пользовать лишь в верхней части метрового диапазона (на волнах, близких 10 м). На более коротких волнах обычно применяются колебательные контуры с распределенными па­ раметрами. В качестве индуктивности в таких контурах ис­ пользуются отрезки длинных линий, а в качестве емкости — междуэлектродные емкости лампы.

Г. Ламповые генераторы УКВ на отрезках коаксиальных линий

У с т р о й с т в о а в т о г е н е р а т о р а У К В с о б щ е й

с е т к о й

Основными элементами генератора являются: источник анодного питания, металлокерамическая (или металлостек­ лянная) лампа и колебательная система.

Последняя состоит из двух отрезков коаксиальных линий и междуэлектродных емкостей лампы. Чаще всего применяют короткозамкнутые отрезки коаксиальных линий, так как их длину легко изменять перемещением короткозамкнутого плунжера и они не излучают высокочастотной энергии. От­ резки коаксиальных линий образованы тремя металлически­ ми трубами разного диаметра: катодной, сеточной и анодной. Трубы расположены коаксиально, то есть одна внутри другой так, что их оси совпадают (рис. 4.27).

Анодная и сеточная трубы образуют анодно-сеточную ли­ нию, длина которой / при помощи закорачивающего настро­ ечного плунжера устанавливается равной /<Х/4 или А/2</<ЗЛ/4. Такая короткозамкнутая линия имеет индуктив­ ное входное сопротивление и вместе с емкостью анод— сетка лампы образует анодно-сеточный контур.

Катодная и сеточная трубы создают катодно-сеточную ли­ нию, длина которой при помощи закорачивающего настроеч-

178

Рис. 4. 27. Конструкция автогенератора УКВ с общей сеткой на металлокерамической лампе.

ного плунжера устанавливается К К / 4 или Х/2</<3 Л./4. Такая линия имеет индуктивное входное сопротивление и вместе с емкостью сетка— катод лампы образует катодно-сеточный контур.

Кроме этих контуров, в состав колебательной системы вхо­ дит емкость анод— катод лампы. Через нее осуществляется обратная связь. Но так как эта емкость мала, то обратная связь через нее оказывается слабой и часто недостаточной для самовозбуждения генератора. Для усиления обратной связи применяют дополнительную индуктивную или емкост­ ную обратную связь, то есть в сеточной трубе делают одно или несколько отверстий, через которые проходят петли (рис. 4.27) или штыри обратной связи. На очень коротких волнах и в генераторах большой мощности дополнительную обрат­ ную связь выполняют только через отверстие в сеточной трубе.

Отбор энергии генерируемых колебаний производят из анодно-сеточной линии при помощи петли или штыря связи.

Анод лампы изолирован от анодной трубы по постоянному току при помощи изоляторов (чаще всего слюды), чтобы че­ рез анодную трубу не закоротить источник анодного питания. Н а конце катодной трубы и в катодно-сеточном закорачиваю­ щем плунжере также имеются изоляционные прокладки. Они предотвращают замыкание катодного тока на корпус, минуя сопротивление смещения.

179