Гармонические колебания, уравнения, график, параметры. Электромагнитные свободные колебания. Автоколебания, страница 16

1  Ламповый генератор. Одной из наиболее электромагнитных автоколебательных систем является  ламповый генератор электрических колебаний. В этом генераторе колебательной системой служит  электрический колебательный контур, источником энергии-выпрямитель или батарея  гальванических элементов, клапаном – электронная лампа.

С контурной  катушкой  Lк  индуктивно  связана катушка обратной связи Lсв, концы которой  присоединены К. промежутку  сетка – катод электронной лампы. Эти две катушки образуют трансформатор. Собрав генератор по схеме, изображенной на рисунке 3, мы с помощью  электронного осциллографа обнаружим гармонические электрические колебания.

Работу лампового генератора можно описать следующим  образом. При замыкании анодной цепи через лампу проходит импульс тока, который заряжает  конденсатор колебательного контура. После этого  в контуре возникают электрические колебания, частота которых определяется параметрами контура (L и С).  Если бы  контур   был изолирован, то колебания в нем  затухали   бы вследствие расходования энергии на  нагрев провода  (главным образом  витков катушки). Однако в приведенной автоколебательной системе  колебания  в контуре затухать не  будут. Почему? После возникновения в контуре колебаний  по контурной катушке течет переменный ток. Поэтому  на   концах  катушки  обратной связи как на вторичной обмотке трансформатора возникает переменное напряжение  Uc, приложенное к промежутку сетка – катод электронной лампы (рис. 4, а). Под действием этого напряжения  во время его положительные   полупериоды   в цепи  лампы возникают импульсы анодного  тока Ia  (рис 4, б), которые как видно из  этого рисунка, приходится  Uk  на контуре. Поэтому, протекая через контур, импульс анодного тока Ia пополняет энергию контура. На   (рис 4, в) показан график мгновенной мощности  анодного  тока в контуре. Заштрихованная   площадь представляет   собой энергию, получаемую колебательным контуром от источника за один период. Пока пополнения энергии   в контуре превосходит    потери, амплитуда  колебаний в контуре  увеличивается. Одновременно увеличивается  амплитуда  переменного  напряжения на участке катод – сетка и, следовательно, увеличивается также импульс анодного тока, что приводит к дальнейшему росту амплитуды колебаний в контуре. Этот процесс возбуждения колебаний продолжается не беспредельно.  Ввиду нелинейности анодно-сеточной характеристики  электронной   лампы нарастание импульсов анодного тока замедляется  и со временем пополнение энергии  в колебательном  контуре за период  становиться равным потерям энергии:             

После достижения амплитудой колебаний определённого значения генератор переходит в стационарный режим – амплитуда  колебаний становится постоянной. Если катушка обратной связи   повёрнута на 180 (рис 5), то генератор не работает – колебаний в контуре  нет.  Отсутствие  колебаний  можно объяснить так.  Поворот  катушки обратной  связи на 180  приводит  к тому, что фаза колебаний переменного напряжения  Uc на промежутке сетке – катод лампы изменяется (рис. 4, а). Теперь  импульсы анодного тока приходятся  на отрицательные  полупериоды  колебаний напряжения  UK на контуре (рис. 4, б).  При прохождении каждого импульса через контур работа электрический тока будет отрицательной  (рис.4 ,В). Это означает, что энергия не пополняется в контур, а «отсасывается» из него.

В результате этого возникшие    в  контуре при включении генератора свободные колебания очень быстро  затухают. В  связи    с этим говорят     о положительной  (см. рис. 3)    иотрицательной (см. рис. 5)обратной  связи. Проделаем теперь такой опыт. При  положительной обратной связи будем медленно увеличивать  расстояние  между    катушками. По осциллограмме   мы заметим,  что амплитуда автоколебаний уменьшается. При некотором расстоянии между катушками  колебания прекращаются. Это значит, что при слабой  обратной  связи, энергия поступающая в контур за каждый период, меньше потери энергии за период на нагревание проводов. При этом колебания затухают. Таким  образом, обратная связь должна быть такой, чтобы выполнялись два  условия. Во-первых, напряжение на участке сетка-катод должно  изменятся синфазно с напряжением на контуре. Обратная связь  в этом случае будет положительной. Это – фазовое условие самовозбуждение генератора.