Для школьников.
Генераторы переменного тока высокой частоты необходимы в радиотехнике подобно тому, как генераторы переменного тока промышленной частоты необходимы в электротехнике.
Генераторы высокой частоты являются основой радиопередатчиков. Вырабатываемая ими энергия поступает в антенну передатчика и создаёт необходимые для связи радиоволны.
Основная задача генераторов заключается в поддержании незатухающих электрических колебаний в колебательном контуре, то есть в пополнении энергии контура, потерянной им за период.
Для этого применяются автоколебательные системы, которые не требуют внешнего воздействия и которые сами периодически восполняют потерянную энергию и поэтому могут колебаться длительное время.
Амплитуда и частота автоколебаний, в отличие от вынужденных колебаний, определяется только свойствами самой системы, а не зависит от внешнего воздействия, как в случае вынужденных колебаний.
Автоколебательные системы можно представить состоящими из следующих элементов:
1) колебательная система (в электрических автоколебаниях это колебательный контур);
2) источник энергии, за счёт которого поддерживаются незатухающие колебания (источник постоянного напряжения);
3) устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, иногда его называют "клапаном" или "ключом" (это лампа или транзистор);
4) устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет "ключом" (в ламповом генераторе это индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи сетка - катод; в генераторе на транзисторе это индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер - база).
Сейчас предстоит разобраться как устроены генераторы высокой частоты и как они работают.
До создания нынешних генераторов высокой частоты на транзисторах использовались ламповые генераторы переменного тока.
Понять работу генератора проще и нагляднее на примере лампового генератора, поэтому сначала рассмотрим принцип работы ламповых генераторов (сейчас они ушли в историю), а затем генераторов на транзисторах.
На рисунке ниже представлена схема лампового генератора высокой частоты с самовозбуждением.
Ламповый генератор состоит из колебательного контура, трёхэлектродной электронной лампы, катушки обратной связи и источников питания.
Как говорилось ранее, в колебательном контуре с появлением каких-либо толчков (импульсов) тока или напряжения возникают свободные затухающие электрические колебания.
Генератору надо поддержать возникшие в контуре колебания за счёт энергии источника постоянного тока, то есть превратить колебания из затухающих в незатухающие.
Колебательный контур играет определяющую роль в генераторе - от его свойств зависит частота вырабатываемого генератором тока и, следовательно, частота передатчика радиостанции.
Вторым важным элементом лампового генератора является электронная лампа. Она должна регулировать импульс тока, необходимого для поддержания колебаний незатухающими.
Прежде вспомним, как работает трёхэлектродная электронная лампа.
Она состоит из баллона с откачанным воздухом, в который впаяны электроды - катод, анод и сетка. Электрическая цепь лампы содержит батарею накала и анодную батарею.
Из нагретого катода вылетают электроны, которые под действием электрического поля, создаваемого анодной батареей, включенной между катодом и анодом, летят к аноду, замыкая цепь. В результате в цепи появляется анодный ток.
Включив ещё одну батарею между катодом и сеткой лампы, можно менять напряжение между катодом и сеткой (сеточное напряжение). При этом будет меняться и сила анодного тока.
Таким образом, меняя сеточное напряжение можно управлять током в анодной цепи лампы.
Кривая, изображённая справа, показывающая зависимость анодного тока от напряжения между сеткой и катодом, называется вольт-амперной характеристикой лампы.
Если сетку соединить с "положительным" полюсом батареи (с плюсом), то при увеличении сеточного напряжения анодный ток будет расти до тех пор, пока не достигнет насыщения (когда все вылетающие из катода электроны в единицу времени дойдут за это время до анода).
Если же на сетку подать отрицательный потенциал (соединить с минусом батареи), то при увеличении сеточного напряжения анодный ток будет падать, пока при некотором отрицательном потенциале на сетке лампа не окажется запертой (анодный ток обратится в нуль).
Таким образом, сетка регулирует анодный ток. Если сетка заряжена положительно, то лампа открыта - ток через неё идёт. Если сетка заряжена отрицательно, то электроны не могут пролететь к аноду - лампа заперта.
Если соединить лампу с колебательным контуром и батареей так, чтобы в нужные моменты лампа отпиралась и пропускала ток к конденсатору, то можно получить автоколебательную систему, позволяющую возбуждать (генерировать) незатухающие электрические колебания.
Для этого надо связать колебательный контур с сеткой лампы. Согласно рисунку, эта связь осуществляется через катушку связи (индуктивная связь).
Таким образом, в приведённой схеме получаем не только действие лампы на колебания в контуре, но и обратное действие колебательного контура на лампу (получаем обратную связь).
При возникновении в контуре случайных электрических колебаний ( при возникновении переменного тока), вблизи катушки колебательного контура создаётся переменное магнитное поле, индуцирующее эдс в катушке связи. Возникшая в катушке связи синусоидальная эдс изменяет анодный ток лампы.
В анодном токе появляются пульсации, которые при правильном подборе фазы напряжения, подаваемого на сетку лампы (цепь обратной связи), будут пополнять колебательную энергию контура.
Если усилительные свойства лампы таковы, что пополнения колебательной энергии превосходят потери энергии за то же время в самом контуре, то амплитуда начальных колебаний, возникших в контуре, будет нарастать.
По мере роста амплитуды колебаний усиление лампы уменьшается за счёт нелинейной вольт-амперной характеристики триода и в системе установится стационарная амплитуда генерируемых колебаний. Так работает автоколебательная система.
Важно, чтобы величина обратной связи была достаточно большой, чтобы могли возникнуть пульсации анодного тока. Важно также чтобы пульсации анодного тока происходили в такт с колебаниями в контуре.
Для этого надо правильно подсоединять концы катушки обратной связи: так, как показано на следующих рисунках.
Приведённый ниже рисунок демонстрирует этапы процесса возникновения самовозбуждения генератора.
Поясним изображённый на рисунке физический процесс, происходящий в генераторе.
Включают батарею накала и ждут пока прогреется катод лампы (рис.а).
Подключают анодную батарею плюсом к аноду, минусом к катоду (рис. б). Излучаемые катодом электроны притягиваются к аноду - в цепи возникает электрический (анодный) ток.
Так как растущий анодный ток протекает через катушку колебательного контура, то в момент появления тока, в катушке возникает эдс самоиндукции, препятствующая возрастанию тока.
При этом конденсатор заряжается до напряжения, равного эдс самоиндукции.
Когда анодный ток достигнет постоянной величины (прекращается его дальнейший рост), эдс самоиндукции исчезает, и конденсатор контура начинает разряжаться через катушку контура (рис. в).
В колебательном контуре возникают свободные колебания, то есть появляется переменный электрический ток, частота которого определяется индуктивностью и ёмкостью контура.
Если бы контур не находился в системе генератора, то возникшие в нём колебания постепенно затухли бы, но благодаря электронной лампе этого не происходит.
Протекающий по катушке контура переменный ток (рис. г) образует вокруг её витков переменное магнитное поле. Это поле, пересекая витки катушки обратной связи, индуцирует в ней эдс.
Между сеткой и катодом возникает переменное напряжение связи, частота которого точно равна собственной частоте колебаний контура.
Вследствие этого анодный ток лампы превращается в пульсирующий: когда сеточное напряжение оказывается положительным, ток увеличивается, когда отрицательным - уменьшается. Таким образом, в анодном токе появляется переменная составляющая.
Если катушка обратной связи подключена к лампе правильно, то переменная составляющая анодного тока поддерживает колебания в контуре.
При достаточно большом переменном напряжении на управляющей сетке, амплитуда переменной составляющей имеет величину достаточную для того, чтобы колебания в контуре стали незатухающими. Ток в контуре, создаваемый лампой, оказывается совпадающим с током свободных колебаний контура, и генератор возбуждается.
Итак, нами рассмотрен принцип работы генератора на электронной лампе. С возникновением полупроводниковых триодов появились генераторы высокой частоты на транзисторах.
На следующем рисунке показана упрощённая схема генератора на транзисторе с общей базой.
Здесь, как и в ламповом генераторе, имеется источник питания, добротный (с малым активным сопротивлением) колебательный контур. Ещё имеется полупроводниковый триод и цепь обратной связи.
Теперь лучше на время отвлечься от генератора и посетить Занятие 62 "Электрический ток в полупроводниках". Там подробно говорится о том, что представляет собой полупроводник: его строение; условия, при которых полупроводник проявляет свойства проводника; даны понятия полупроводников р - типа, n -типа: рассмотрено, что происходит в переходном слое (в месте контакта полупроводников разного типа проводимости).
Обратим особое внимание на переходный слой, так как действие полупроводниковых приборов, применяемых в радиотехнике, основываются на использовании свойств переходного слоя.
Свойства переходного слоя
Переходный слой образуется на границе двух полупроводников, обладающих проводимостью разного типа.
Для примера рассмотрим пластинку, вырезанную из кристалла германия, в которой левый объём обладает р - проводимостью, а правый - n -проводимостью.
В правом объёме содержится избыток электронов, а в левом - избыток положительных зарядов. Избыточные заряды будут стремиться проникнуть в объём, где их недостаёт, и накапливаются у границы раздела областей.
В результате этого на границе раздела возникает электрическое поле. При некотором накоплении зарядов это поле становится настолько сильным, что переход избыточных зарядов через границу раздела прекращается.
Образуется так называемый р - n - переход или запорный слой.
Проводимость запорного слоя становится меньше проводимости остального объёма пластинки, так как часть зарядов в запорном слое нейтрализуется зарядами противоположного знака.
(В объёмах пластинки, кроме рассматриваемых нами основных носителей заряда есть и неосновные носители заряда, имеющие противоположный знак, но их очень мало).
Таким образом, электрическое поле переходного (запорного) слоя препятствует протеканию через него основных носителей заряда из одного объёма в другой.
Теперь посмотрим, что будет происходить в р - n - переходе при подключении к полупроводнику источника постоянного тока.
При соединении положительного полюса батареи с n - областью, а отрицательного - с р - областью (верхний рисунок) концентрация основных носителей заряда в пластинке уменьшится, проводимость её станет меньше. Кроме того, напряжение батареи усилит электрическое поле р - n -перехода, поэтому через пластинку будет протекать очень малый ток, созданный неосновными носителями заряда. Он течёт из области с n - проводимостью в область с р - проводимостью и называется обратным, в отличие от тока прямого направления, создаваемого основными носителями заряда.
При соединении положительного полюса батареи с р - областью, а отрицательного - с n - областью (нижний рисунок), концентрация основных носителей заряда (положительных в р - области и отрицательных в n - области) возрастает.
Кроме того, электрическое поле р - n - перехода оказывается ослабленным электрическим полем батареи.
В результате создаются благоприятные условия для протекания основных носителей заряда через р - n -переход и в цепи устанавливается довольно большой электрический ток даже при напряжении батареи 1 В.
Таким образом, р - n -переход обладает односторонней проводимостью электрического тока, она в прямом направлении во много раз превышает проводимость в обратном направлении, благодаря чему диоды применяются для выпрямления переменного тока.
На следующем рисунке показана схема полупроводникового триода, который состоит из пластинки кристалла германия, содержащей три области с типами проводимости р - n - р.
Триод содержит два р - n - перехода. Если к триоду не приложено электрическое напряжение, то по сторонам переходных слоёв образуется такое распределение зарядов, как показано на рисунке
Что происходит в транзисторе при подключении к нему источников постоянного тока подробно рассказано в статье "Принцип работы полупроводниковых триодов".
В статье "Усилительные свойства полупроводниковых триодов" показано, как транзистор усиливает мощность сигнала, подаваемого на вход усилителя.
Если полупроводниковый триод способен работать в качестве усилителя сигнала, то он может работать и в качестве генератора (для этого соединяют вход и выход усилителя).
Итак, транзистор состоит из трёх различных полупроводников: эмиттера Э, базы Б и коллектора К. Эмиттер предназначен для создания носителей заряда; коллектор собирает заряды, а база регулирует число передаваемых коллектору зарядов.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, а основные носители базы имеют противоположный знак ( сейчас будем говорить о работе транзистора р - n - р - типа).
Как работает генератор на транзисторе?
Колебательный контур соединён последовательно с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подан положительный потенциал, а на коллектор - отрицательный. При этом переход эмиттер - база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база - коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным.
Мы знаем, что свободные колебания в контуре из-за потерь энергии являются затухающими. Роль генератора заключается в том, чтобы эти колебания были незатухающими.
Для этого в цепи должен появиться дополнительный ток, который складываясь с индукционным током контура, поддерживал бы заряд конденсатора на начальном уровне.
При изменении магнитного поля катушки контура в катушке связи появляется переменная эдс, которая сообщает базе то положительный, то отрицательный потенциал.
Когда на базу подаётся "плюс", ток в цепи транзистора очень мал (говорят, что транзистор заперт). Когда на базу подаётся "минус", ток в цепи транзистора увеличивается во много раз (примем это как факт).
Этот ток и даёт дополнительный заряд конденсатору за счёт энергии источника постоянного тока (в этом случае говорят что транзистор отперт), поддерживая этим заряд конденсатора на прежнем уровне и, значит, создавая в колебательном контуре незатухающие колебания.
Осуществляется это автоматически через катушку обратной связи в интервалы времени когда энергия магнитного поля контура переходит в энергию электрического поля конденсатора.
Так генератором решается задача поддержания колебаний в контуре незатухающими.
На этом заканчиваем рассматривать электромагнитные колебания. Далее предстоит говорить о распространении этих колебаний в пространстве, то есть об электромагнитных волнах.
Сначала рассмотрим механические волны, затем электромагнитные.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Вынужденные электромагнитные колебания. Электрический резонанс.
Следующая запись: Задачи на колебательный контур и цепи, содержащие активное сопротивление, индуктивность и ёмкость.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
