Принципы генерирования ЭМ колебаний

Генерированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию ЭМ колебаний. Устройства, осуществляющие данное преобразование – генераторы.

Для получения синусоидальных колебаний используется колебательный контур. Подключим к контуру в некоторый момент времени t₀ очень кратковременно с помощью ключа К (рис.3.1) источник постоянного тока.

При кратковременном включении ток в цепи катушки не успеет нарасти до заметной величины тока. Конденсатор успеет же зарядится до некоторого значения U₀. При отключении источника конденсатор начнет разряжаться через катушку и в контуре возникнут затухающие колебания.

Напряжение на конденсаторе будет уменьшаться по закону

, (3.1)

частота собственных колебаний идеального контура

Рис. 3.1. Пополнение энергии контура источником постоянного напряжения, а) источник пополняет энергию контура, б) подключение источника уменьшает энергию контура

Потери энергии в контуре приводят к уменьшению не только амплитуды колебаний, но и частоты. Качество колебательного контура оценивают его добротностью

, (3.2)

где r – характеристическое сопротивление контура

R – сопротивление потерь.

Величина Q определяет число колебаний, которое совершает колебательный контур после однократной зарядки его конденсатора, прежде чем амплитуда его колебаний уменьшится в e раз.

Для получения незатухающих колебаний необходимо периодически пополнять запас энергии в контуре, для чего нужно подключать к нему источник постоянного напряжения в ту часть периода колебаний, когда на пластине конденсатора, соединенной с отрицательным полюсом источника, будут накапливаться электроны. Тогда источник будет пополнять заряд на пластинах, т.е. запас энергии в конденсаторе. Если же замкнуть ключ в ту половину периода, когда на данной пластине скапливаются положительные заряды, то источник будет нейтрализовывать их и разряжать конденсатор.

В первом случае электроны, ускоренные полем постоянного источника, приходили к контуру испытывая противодействие одноименных зарядов его конденсаторов, а во втором случае они двигались в ускоряющем электромагнитном поле контура.

Можно сформулировать общий физический принцип обмена энергией между колебательной системой и электронным потоком, на котором основано действие большинства генераторных приборов.

Пополнение энергии в колебательной системе происходит в том случае, когда электроны поступают в нее в тормозящем поле. Заряды, проходящие поле колебательной системы, в ускоряющей фазе отбирают энергию у поля системы.

Это общее правило характеризует условие и направление обмена энергией между потоком и полем.

Из сказанного ясно, что для пополнения энергии в контуре следует на полпериода подключать к нему источник постоянного тока, а в другую половину периода отключать его (рис. 3.1, а и б).

При этом будет происходить преобразование энергии источника постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний в контуре, т.е. то, что мы называем генерацией высокочастотных колебаний. Для этого помимо источника, необходимо иметь ключ, с помощью которого можно было бы осуществлять такую коммутацию.

Поскольку речь идет о высокочастотных колебаниях, нельзя и думать об использовании каких-либо механических переключателей.

Роль надежного, безынерционного и управляемого без большой затраты энергии ключа в схемах генераторов широкого диапазона радиочастот может выполнять лампа, либо транзистор. Отсюда различают ламповые и транзисторные генераторы.

Рассмотрим генератор, где в качестве ключа используется трехэлектродная лампа. Для того, чтобы лампа была заперта в неблагоприятную половину периода, на ее управляющую сетку подают отрицательное напряжение -E_c, которое называют напряжением смещения, достаточное для прекращения анодного тока. Для этого необходимо, чтобы напряжение смещения превышало напряжение запирания лампы U_з. А для отпирания лампы в благоприятную половину периода на управляющую сетку подают переменное напряжение возбуждения, изменяющееся с частотой, на которую настроен контур (рис. 3.2).

, (3.3)

Во время отрицательного полупериода напряжения возбуждения лампа закрыта, а положительные значения напряжения возбуждения, превысившие U_з, открывают ее. Поэтому под действием результирующего напряжения на сетке в анодной цепи ток будем иметь форму периодических усеченных косинусоидальных импульсов.

Рис.3.2. а) Схема генератора с трёхэлектродной лампой,

б) Схема пополнения энергии в генераторе