Принцип генерирования гармонических колебаний

В основе работы большинства автогенераторов лежит принцип поддержания незатухающих колебаний в резонансной системе за счет подачи в нее посредством активного элемента дополнительной энергии от источника питания. В качестве активного элемента могут использоваться электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы, полупроводниковые диоды, имеющие на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным сопротивлением. Моменты подачи и величина энергии, подаваемой в резонансную систему, определяются параметрами цепи обратной связи, управляющей работой активного элемента.

Для уяснения указанного принципа рассмотрим одну из возможных схем автогенератора (рис. 4.48), в которой активный элемент изображен в виде совокупности трех электродов И –истока, С – стока и З – затвора.

Как известно, если в колебательный контур ввести некоторую энергию и предоставить его самому себе, то в нем возникнут затухающие колебания u_к(t) с частотой, определяемой собственными параметрами контура (рис. 4.49). Такие колебания возникают после включения напряжения источника питания Е_п.

Из схемы (рис. 4.48) следует, что напряжение между выходными электродами активного элемента равно

u_си (t) = Е_п – u_к(t).

Это напряжение создает между выходными электродами прибора электрическое поле, которое состоит из постоянной составляющей Е_о, обусловленной напряжением источника питания Е_п, и переменной составляющей Е(t), обусловленной напряжением на контуре u_к(t) (рис. 4.49). Так как обычно Е(t) < Е_о, то независимо от направления поля Е(t) результирующее электрическое поле является ускоряющим и все электрические заряды (электроны) движутся от электрода И к электроду С.

Рассмотрим взаимодействие пролетающих в пространстве С – И электронов с действующим в нем электрическим полем. Каждый электрон, пролетая пространство С – И под действием постоянного поля Е_о, приобретает скорость u_о; при этом его кинетическая энергия становится равной 0,5 m u²₀, где m – масса электрона. Эту энергию электрон приобретает у электрического поля, созданного источником постоянного напряжения Е_п, поэтому источник питания теряет такое же количество энергии.

Иначе взаимодействует электрон с переменной составляющей электрического поля Е(t). В те полупериоды, когда переменная составляющая напряжения u_к(t) > 0, переменное электрическое поле Е(t) < 0 тормозит электроны и, следовательно, отбирает у них часть кинетической энергии. В другие полупериоды, когда u_к(t) < 0, переменное электрическое поле Е(t) > 0 ускоряет электроны, отдавая им часть своей энергии. Полупериоды колебаний, в которые происходит торможение и ускорение электронов, показаны на рис. 4.49.

Если предположить, что энергия D W, отдаваемая электроном переменному электрическому полю при торможении, в среднем равна энергии, которую другой электрон получает у переменного электрического поля при его ускорении этим полем, то колебательный контур, создающий переменное электрическое поле, получит за каждый период колебаний энергию

, (4.48)

где n_Т и n_У – количество электронов, движущихся соответственно в тормозящем и ускоряющем полях.

Из выражения (4.48) видно, что если управлять электронным потоком так, чтобы количество электронов n_Т, движущихся в тормозящем поле, превосходило количество электронов n_У, движущихся в ускоряющем поле, то величина W > 0, то есть колебательный контур будет получать энергию в течение каждого периода колебаний. Если же, кроме того, удается добиться равенства W = W_конт, где W_конт – энергия потерь в контуре за период колебаний, то затухание колебаний u_к(t) прекратится, и в рассматриваемой системе будут поддерживаться незатухающие гармонические колебания.

Таким образом, для поддержания незатухающих гармонических колебаний в резонансной системе автогенератора необходимо управлять электронным потоком так, чтобы количество электронов, тормозящихся переменным электрическим полем в пространстве С – И, превосходило количество электронов, испытывающих ускорение в этом поле. Этот принцип является общим и лежит в основе работы многих автогенераторов гармонических колебаний.

Автогенераторы, в которых принцип передачи энергии основан на взаимодействии электронного потока с электростатическим полем резонансной системы, часто называют генераторами с электростатическим взаимодействием.

Дата добавления: 2015-10-28