электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 
Главная / Электронные приборы / Ламповые генераторы / Генераторы с самовозбуждением

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 Lсв. 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 Uс. 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 Ia~, изменяющаяся в фазе с напряжением Uс (см. векторную диаграмму, рис. 165, б). Около катушки Lсв снова появляется переменное магнитное поле, а в катушке L наводится переменная э. д. с. взаимоиндукции Ем, 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 Lсв.

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 Iа1 = Sср·Umc, где Sср — 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 ΔРвн, можно получить следующее выражение для оставшейся мощности потерь в контуре:

ΔР' = ΔР — ΔРвн = 0,5I2кR - 0,5I2кРвн = 0,5I2к(R-Rвн) = 0,5I2кR'к,

где R — сопротивление активных  потерь в  контуре; Rвн — 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:

  1. Для самовозбуждения схемы необходимо наличие в ней отрицательного активного сопротивления Rвн, 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 Rэ.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=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 Umc можно определить также через коэффициент обратной связи:

Umc = KβIа1Rэ.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:

KβSсрRэ.п                                     (293)

На рис. 166, б приведены колебательные характеристики генератора А и В, представляющие зависимость первой гармоники анодного тока Iа1 от амплитуды напряжения возбуждения Umc 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 Umc, рост анодного тока замедляется из-за уменьшения средней крутизны Sср. При некотором значении U первая гармоника анодного тока Iа, достигает максимального значения, после чего, при дальнейшем увеличении U, падает.

В режиме колебаний II рода крутизна при изменении U 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 Iа1 возрастает уже не по линейному закону, так как крутизна Sср нелинейно увеличивается до максимального значения, равного крутизне линейного участка характеристики. Далее идет линейный участок колебательной характеристики, которому соответствует Sср = 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 Кβ>Kβмин. 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 Iа1, 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 Iа1 выше стационарного, например до величины I"'а1, на управляющей сетке появится напряжение U3, которому соответствует меньшее значение тока Iа1, 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.

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр