С точки зрения механизма возбуждения незатухающих колебаний наиболее близкими к обычному ламповому генератору являются так называемые генераторы с данатронным эффектом. Поэтому с них мы и начнем наше рассмотрение.
Схема динатронного генератора на трехэлектродной лампе приведена на фиг. 45. Лампа поставлена в так называемый динатронный режим, при котором увеличение анодного напряжения в некоторых пределах приводит не к увеличению, а к уменьшению силы анодного тока.
Фиг. 45 Схема динатронного генератора
Мы не рассматривали раньше процессов, происходящих в самой лампе, и не объясняли, почему лампы обладают характеристиками определенного вида, но в данном случае сделаем отступление для того, чтобы объяснить происхождение падающего участка на анодной характеристике лампы.
Если электроны достигают анода с достаточно большой скоростью, то при ударе об анод они могут выбить из него один или несколько электронов. Явление это называется вторичной эмиссией, а выбиваемые электроны называются вторичными электронами. Вторичные электроны, вылетев из анода, попадают под действие электрического поля, существующего между анодом и сеткой. Если напряжение на аноде выше, чем напряжение на сетке, то поле между сеткой и анодом заставляет вторичные электроны возвращаться на анод, и поэтому они не влияют на силу анодного тока. Если же напряжение на сетке выше, чем напряжение на аноде, то вторичные электроны, вылетевшие из анода, притягиваются сеткой и создают в лампе ток, направленный навстречу анодному току.
Ток во внешней цепи, присоединенной к аноду, равен разности электронного анодного тока и тока вторичных электронов, и если при увеличении анодного напряжения ток вторичных электронов возрастет быстрее, чем анодный ток (это возможно, если по мере увеличения напряжения на аноде растет число вторичных электронов, выбиваемых каждым первичным), то ток в присоединенной к аноду внешней цепи по мере увеличения анодного напряжения не растет, а уменьшается.
Такой режим может быть осуществлен в трехэлектродной лампе, если на ее сетку подано достаточно высокое положительное напряжение. Тогда по мере увеличения напряжения на аноде сначала анодный ток будет возрастать, так как пока напряжение на аноде мало, электроны достигают анода с небольшими скоростями, и явление вторичной эмиссии отсутствует.
На графике, изображающем зависимость анодного тока от напряжения на аноде (фиг. 46), этому соответствует участок ОА.
Фиг. 46 Зависимость анодного тока от напряжения на аноде
Но когда напряжение на аноде превзошло некоторую величину, возникает явление вторичной эмиссии и по мере увеличения анодного напряжения число вторичных электронов начинает резко возрастать. Если при этом напряжение на аноде все еще меньше, чем напряжение на сетке, то вторичные электроны притягиваются сеткой, образуют ток обратного направления и уменьшают величину тока в анодной цепи лампы (это явление называется динатронным эффектом). На графике фиг. 46 этому соответствует падающий участок кривой АВ.
Далее, когда напряжение на аноде возрастет настолько, что оно приблизится к напряжению на сетке, все меньше и меньше вторичных электронов будет притягиваться сеткой, и. следовательно, ток в анодной цепи снова начнет возрастать (участок кривой ВГ).
Если режим лампы выбран так, что ее рабочая точка лежит на падающем участке характеристики, например в точке Б, то говорят, что лампа работает в динатронном режиме. В этом режиме увеличение анодного напряжения сопровождается уменьшением анодного тока и наоборот.
Если напряжение на аноде меняется в некоторых пределах около значения Ua0, то, как и всегда, мы можем рассматривать анодный ток на участке АВ как сумму двух составляющих — постоянной Ia0 и переменной, которая слева от точки Б направлена в ту же сторону, что и постоянная составляющая, а справа от точки Б в противоположную сторону. Иначе говоря, когда переменная составляющая анодного напряжения имеет положительное значение, переменная составляющая анодного тока имеет отрицательное значение и наоборот, а так как во всякой цепи отношение напряжения к силе тока равно сопротивлению этой цепи, то, поскольку в рассматриваемом случае знаки их противоположны, для переменной составляющей сопротивление лампы в динатронном режиме отрицательно.
Но если данный проводник в некоторой области напряжений представляет собой отрицательное сопротивление, то, как мы уже знаем» при прохождении тока по этому проводнику не только не затрачивается энергия от внешнего источника, но, наоборот, проводник отдает часть энергии во внешнюю цепь. Поэтому, если к лампе, работающей в динатронном режиме, присоединена какая-либо внешняя цепь и в лампе и этой цепи протекает переменный ток, то внешняя цепь получает энергию от лампы (энергия эта черпается от батарей, задающих постоянные напряжения на сетку и анод лампы).
В частности, если к лампе, работающей в динатронном режиме, присоединен последовательно колебательный контур и в этом контуре возникли случайно небольшие колебания, то лампа будет отдавать энергию колебательному контуру. Тем самым она в той или иной мере будет компенсировать потери в колебательном контуре. И если энергия, поступающая из лампы в контур, превосходит потери энергии в самом контуре, то возникшие в контуре колебания будут нарастать.
Вопрос о том, что преобладает — потери энергии в контуре или энергия, отдаваемая контуру лампой, определяется соотношением между абсолютными величинами положительного активного сопротивления контура и отрицательного сопротивления лампы.
Если отрицательное сопротивление лампы в динатронном режиме по абсолютной величине будет больше, чем активное сопротивление включенного последовательно с ней колебательного контура, то общее сопротивление цепи будет отрицательно. И так же, как и в случае обычного лампового генератора с обратной связью, это означает, что состояние равновесия неустойчиво и что случайно возникшие в контуре колебания будут нарастать. Это нарастание колебаний будет продолжаться до тех пор, пока общее сопротивление цепи будет оставаться отрицательным. Но, как уже отмечалось, отрицательным сопротивлением всякий проводник может обладать только в некоторой ограничен-
ной области. В частности, лампа в динатронном режиме обладает отрицательным сопротивлением только в пределах тех анодных напряжений, которым соответствует падающий участок характеристики АВ. И если колебания в контуре будут нарастать, то переменное напряжение на аноде лампы непременно рано или поздно возрастет настолько, что будет приближаться к значениям Ua1 и Uа2 (фиг. 46), в которых сопротивление лампы из отрицательного становится положительным. Вблизи точек А и В крутизна падающего участка характеристики уменьшается, т. е. абсолютная величина отрицательного сопротивления лампы становится меньше. Поступление энергии в колебательный контур замедлится, а так как потери энергии в контуре по мере роста амплитуды все время увеличиваются, то в конце концов нарастание колебаний прекратится. В контуре установятся незатухающие колебания, причем амплитуда этих колебаний будет как раз такая, при которой потери энергии за период будут равны энергии, отдаваемой контуру лампой, т. е. отрицательное сопротивление лампы будет изменяться в таких пределах, что его среднее значение за период будет как раз равно по абсолютной величине положительному активному сопротивлению колебательного контура.
Как мы видим, принцип возбуждения незатухающих колебаний в динатронном генераторе сводится к компенсации затухания колебательного контура, т е. аналогичен принципу возбуждения незатухающих колебаний в обычном ламповом генераторе с обратной связью 1. Так же как в случае лампового генератора, если затухание контура невелико, то, несмотря на то, что компенсация затухания осуществляется не для каждого мгновения, а только в среднем за период, форма колебаний будет близка к той форме колебаний, которые происходили бы в контуре без затухания, т. е. близка к синусоидальной. Только когда затухание контура будет велико, форма незатухающих колебаний будет заметно отличаться от синусоидальной. Как и в случае обычного лампового генератора, форма колебаний в дина-
1 Различие между динатронным генератором и обычным генератором с обратной связью сводится лишь к тому, что энергия в колебательный контур передается несколько различными способами в том и другом случае, так как по-разному протекают процессы внутри самой лампы. Однако с точки зрения проблемы возбуждения незатухающих колебаний — так, как мы ее рассматриваем, — процессы, происходящие внутри самой лампы, как уже указывалось, не играют принципиальной роли.
тронном генераторе определяется главным образом добротностью колебательного контура, входящего в генератор Существует ряд видоизменений рассмотренного нами динатронного генератора. Для получения падающей характеристики, т. е. для осуществления отрицательного сопротивления, часто применяют не триоды, а лампы с большим числом электродов, например пентоды. Но так как эти видоизменения по принципу возбуждения колебаний не отличаются от динатронного генератора и различаются только процессами, происходящими внутри самой лампы, мы этих других разновидностей динатронного генератора рассматривать не будем.
С.А. Хайкин