Генерування електричних коливань , процес перетворення різних видів електричної енергії в енергію електричних (електромагнітних) коливань. Термін «Г. е. к.» застосовується зазвичай до коливань в діапазоні радіочастот, збуджуваним в пристроях (системах) із зосередженими параметрами (ємністю З, індуктивністю L, опором R), де електричні і магнітні поля просторово розділені. При переході до вищих частот (СВЧ і оптичний діапазон) для збудження коливань необхідні системи з розподіленими параметрами. В цьому випадку говорять про електромагнітні коливання. Термін «Г. е. к.», як правило, не застосовується, коли йдеться про здобутті змінних струмів промислових частот, що отримуються за допомогою електричних машин (див. Генератор електромашинний, Змінного струму генератор ).
Р. е. до. здійснюється зазвичай або шляхом перетворення енергії джерел постійної напруги за допомогою електронних приладів (вакуумних, газорозрядних і твердотілих), або шляхом перетворення первинних електричних коливань в коливання необхідної частоти і форми (параметричний генератор, квантовий генератор).
Залежно від типа електронних приладів розрізняють: лампові генератори (з електронними лампами), напівпровідникові генератори (з напівпровідниковими тріод-пентодами, тунельними діодами і ін.), генератори з газорозрядними приладами (тиратронами і ін.). За формою коливань, частоті, потужності і призначенню розрізняють: генератори синусоїдальних (гармонійних) коливань, генератори коливань спеціальної форми, генератори надвисоких частот і так далі
Необхідні елементи генератора: джерело енергії ланцюги, в яких збуджуються і підтримуються коливання (пасивні ланцюги) і активний елемент, що перетворює енергію джерела живлення в енергію коливань, що генеруються. Активним елементом зазвичай є електронні прилади, часто у поєднанні з керівниками ними додатковими ланцюгами (ланцюгами зворотного зв'язку).
Якщо енергія, що підводиться в пасивні ланцюги, перевершує втрати енергії в цих ланцюгах, то будь-який виниклий в них коливальний процес буде наростати. Якщо вступ менше втрат, коливання затухають. Енергетична рівновага, відповідна стаціонарному режиму Р. е. до., здійсненно лише за наявності нелінійних властивостей в елементів системи. При їх відсутності в системі можливий або наростаючий, або затухаючий коливальний процес, а генерація стаціонарних електричних коливань неможлива (див. нижчий).
Якщо ланцюги, в яких збуджуються і підтримуються коливальні процеси самі по собі володіють коливальними властивостями (наприклад, коливальний контур або об'ємний резонатор ), то частота і форма коливань, що генеруються, в основному визначаються частотою і формою їх власних коливань. Роль активного елементу в цьому випадку зводиться лише до підкочування енергії в ланцюзі для компенсації втрат в них (включаючи відбір енергії споживачем).
Генератори майже гармонійних коливань . Якщо в генераторі з коливальними ланцюгами втрати в контурі або резонаторі малі (висока добротність коливальної системи ), то форма коливань в них близька до синусоїдальної і їх називають генераторами майже гармонійних коливань або томсоновськимі генераторами.
Ламповий генератор. Простий ламповий генератор майже гармонійних коливань складається з коливального контура і електронної лампи (наприклад, тріод-пентода ) з живленням і ланцюгом, що управляє ( мал. 1 ). У контурі під впливом випадкових електричних коливань виникають власні коливання струму і напруги. Проте із-за втрат енергії в контурі вагання повинні затухати. Щоб коливання не затухали, необхідно поповнювати запас коливальної енергії в контурі, наприклад впливаючи на нього пульсуючим струмом з тією ж частотою і з певною фазою. Це здійснюється за допомогою тріод-пентода. Змінна напруга, що підводиться від контура до сітки тріод-пентода, викликає зміну його анодного струму. В результаті в анодному струмі з'являються пульсації, які при правильному підборі фази напруги що подається на сітку лампи (ланцюг зворотному зв'язку ), поповнюватимуть коливальну енергію контура.
Якщо підсилювальні властивості лампи такі, що поповнення коливальної енергії перевершують втрати коливальної енергії за той же час в самому контурі, то амплітуда початкових коливань, що виникли в контурі, наростатиме. У міру зростання амплітуди коливань посилення лампи зменшується за рахунок нелінійності вольтамперной характеристики тріод-пентода і в системі встановиться стаціонарна амплітуда коливань, що генеруються. Подібні системи, що генерують стаціонарні коливання, частота і форма яких визначаються властивостями самої системи, називають автоколивальними системами або автогенераторами, а коливання, що генеруються ними, — автоколиваннями .
Потужність, що підводиться від джерела живлення, витрачається не лише на підтримку коливань в контурі, але і на розігрівання анода лампи електронами, бомбардуючими його при протіканні анодного струму. Ця обставина обмежує ккд(коефіцієнт корисної дії) лампових генераторів, який може все ж досягати 70—75%.
Управління електронною лампою за допомогою ланцюга зворотного зв'язку може здійснюватися різними способами. Поряд з індуктивним зворотним зв'язком ( мал. 1 ) можливий також ємкісний зворотний зв'язок ( мал. 2 , а) або автотрансформаторний зворотний зв'язок ( мал. 2 , би).
В схемах лампових генераторів часто застосовуються т.з. паралельне живлення анодного ланцюга ( мал. 2 , а, би) і автоматичний зсув сітки, що створюється сітковим струмом i з . Струм i з створює постійну напругу на сітці, що управляє лампи, що зміщує робочу точку анодно-сіткової характеристики в область негативних значень, що необхідне для здобуття високого ккд(коефіцієнт корисної дії) ( мал. 3 ).
Потужність лампових генераторів — від доль Вт (у вимірювальних і калібрувальних пристроях) до десятків і сотень квт ; область частот, що генеруються, — від десятків кгц до Ггц . Верхній частотний кордон зв'язаний по-перше, з наявністю в ламп «паразитних» ємкостей (сітка — анод і ін.), з кінцевим часом прольоту електронів від катода до анода, а також з деякими ін. чинниками (див. Електронна лампа ). Нижній частотний кордон обумовлений малою добротністю коливальних контурів з низькими власними частотами.
Транзисторний генератор. Іншим прикладом генератора майже гармонійних коливань є генератор на напівпровідниковому тріод-пентоді (транзисторний генератор). Тут, так само як і в ламповому генераторі, є джерело живлення, добротний коливальний контур, а активним елементом є поєднання напівпровідникового тріод-пентода і ланцюг зворотного зв'язку. У напівпровідникових тріод-пентодах (транзисторах) має місце посилення потужності коливань, що підводяться до електроду (наприклад, до бази), що управляє, і це дозволяє, так само як і в разі електронних ламп за допомогою ланцюга зворотного зв'язку здійснити підкочування коливальної енергії в контур для його збудження і підтримки режиму стаціонарних (незгасаючих) коливань. Існують різні схеми транзисторних генераторів. Три варіанти напівпровідникових генераторів, що використовують включення транзистора за схемою із загальним емітером, показано на мал. 4, а, би, ст
Транзисторні генератори генерують коливання з частотою від декількох кгц до 10 10 Ггц з потужностями від десятих доль мвт до сотень Вт . Як і в ламповому генераторі, тут при високій добротності контура форма коливань близька до гармонійної, а частота визначається власною частотою коливань контура з врахуванням «паразитних» ємкостей транзистора.
Негативний диференціальний опір. Виникнення в контурі незгасаючих коливань можна розглядати як результат внесення до нього деякого «негативного» опору, компенсуючого позитивний активний опір. У ламповому генераторі це негативний опір створюється лампою у поєднанні з ланцюгом зворотного зв'язку і джерелом живлення. У негативного опорі збільшення струму повинне відповідати зменшенню падіння напруги:
(у звичайних опорах
Ефект появи негативного диференціального опору виникає лише при використанні підсилювальних властивостей лампи або транзистора за рахунок позитивного зворотного зв'язку.
Проте існують прилади, в яких вольтамперная характеристика за певних умов має падаючу ділянку. Це відповідає тому, що в деякій області значень U і I має місце негативне диференціальний опір
( мал. 5 ), що дозволяє використовувати подібні прилади для Р. е. до. Наприклад, в пентодах залежність струму екрануючої сітки i е від напруги на антидинатронній сітці U е має падаючу ділянку ( мал. 6 , а). Виникнення негативного опору дозволяє створити генератор, називають транзитронним ( мал. 6 , би). У транзитронному генераторі вагання в контурі LC підтримуються також за рахунок негативного опору, що вноситься до контура дією струму екрануючої сітки лампи, керованого напругою на третій антидинатронній сітці.
Для створення негативного опору можна використовувати електричний розряд в газах, вольтамперная характеристика якого має падаючу ділянку. Наприклад, в певних режимах дугового розряду із збільшенням струму I зростає температура дуги, збільшується кількість іонів в розрядному проміжку і за рахунок цього опір проміжку падає, що приводить до зменшення падіння напруги між електродами U . Це властивість дугового розряду використовувалася в дугових генераторах високої частоти лампових генераторів, що застосовувалися до появи ( рі с. 7 , а, би).
Подібним же чином може бути використана падаюча характеристика тунельного діода ТД ( мал. 8 , а). Якщо робоча крапка на характеристиці діода знаходиться на падаючій ділянці його характеристики, то це відповідає введенню в колебат. контур негативного опору.
Якщо коливальний контур володіє високою добротністю, то коливання, що генеруються, формою близькі до гармонійних і їх частота визначається власною частотою контура з врахуванням додаткової ємкості діода (підключеного паралельно основній ємності З , мал. 8 ).
Амплітуда сталих коливань визначатиметься умовою, щоб середній нахил робітника ділянки характеристики (з врахуванням заходу коливань за межі найбільш крутої ділянки падаючої характеристики) забезпечував би повну компенсацію втрат на активному опорі контура, включаючи і повне навантаження генератора R полн . При цьому R oтріцат . = R полн .
Генератори з ТД можуть генерувати коливання аж до частот 100 Ггц , але з вельми малою потужністю — порядку доль мквт . На дециметрових і сантиметрових хвилях потужність таких генераторів може досягати декілька мвт . Вони, будучи надзвичайно компактними і економічними, найуспішніше застосовуються як гетеродинів в радіоприймачах СВЧ(надвисокі частоти) діапазону. Напівпровідникові генератори (як і лампові) не можуть генерувати дуже високі частоти (у області сантиметрових і коротших хвиль). У цій області частот використовуються, як правило, пристрої з об'ємними резонаторами (замість контурів).
Більшість приведених раніше понять (активний елемент, пасивні ланцюги, негативний опір і ін.) повною мірою застосовно лише до пристроїв, що складаються із зосереджених елементів (лампа, опір, конденсатор, котушка індуктивності і т. д.), розміри яких багато менше довжини хвилі l . Просування в область СВЧ(надвисокі частоти) привело до створення генераторів, що є системами з розподіленими параметрами. У цих пристроях для Р. е. до. використовуються різні явища, що виникають в електронних потоках у вакуумі, в плазмі або при проходженні струму через деякі тверді тіла, наприклад напівпровідники. У цих випадках не завжди застосовне само поняття електричного ланцюга і неможливо виділяти окремо пасивні ланцюги і активний елемент.
Магнетронний генератор. У магнетронном генераторі вагання СВЧ(надвисокі частоти) збуджуються в системі об'ємних резонаторів (порожнини з провідними стінками). Резонатори розташовані по колах масивного анода і їх власна частота (визначається діаметром порожнини і шириною щілини, що сполучає кожну порожнину із загальним простором, в центрі якого розташований катод ( мал. 9 ). Магнітне поле, скривлюючи траєкторії електронів, рухомих від катода До до анода А , формує загальний електронний потік, що пролітає послідовно уздовж щілин резонаторів. Магнітне поле підбирається таким, щоб більшість електронів рухалися по траєкторіях, що майже стосуються щілин. Т. до. у резонаторах за рахунок випадкових струмів неминуче виникають слабкі електричні коливання, то біля щілин існують слабкі змінні електричні поля Е. Пролетая в цих полях, електрони залежно від їх напряму відносно поля Е або прискорюються, відбираючи енергію в резонатора, або гальмуються, віддаючи частину енергії резонаторам. Електрони, прискорені полем першого ж резонатора, повертаються на катод. Загальмовані (робітники) електрони потрапляють в полі наступних резонаторів, де вони також гальмуватимуться, якщо потрапляють туди в «гальмівні» напівперіоди електромагнітного поля. Шляхом відповідного підбору швидкості електронів (анодної напруги U а і магнітного поля Н ) можна добитися того, щоб електрони більше віддавали енергії резонаторам, чим забирали у них. Тоді коливання в резонаторах наростатимуть. Нелінійність характеристик магнетрона забезпечує встановлення постійної амплітуди коливань, що генеруються. Відбір енергії може вироблятися з будь-якого резонатора за допомогою петлі зв'язку П .
В магнетроні джерелом живлення є джерело анодної напруги U а , коливальною системою — резонатори. Роль активного елементу, що забезпечує перетворення постійної енергії в енергію електричних коливань, грає електронний потік, що знаходиться під дією магнітного поля.
Магнетрони генерують гармонійні коливання в діапазоні частот від 300 Мгц до 300 Ггц . Ккд магнетронних генераторів досягає 85%. Зазвичай магнетрони використовуються для здобуття коливань великих потужностей (декілька Мвт ) в імпульсному режимі і десятків квт при безперервній генерації (детальніше за див.(дивися) Магнетрон ).
Клістронний генератор. Клістронний генератор також містить об'ємний резонатор, в якому колебанія збуджуються і підтримуються електронним потоком. Потік електронів, що випускається катодом До ( мал. 10 , а), прискорюється електричним полем, створюваним джерелом живлення. У відбивному клістроні електрони пролітають через сітки об'ємного резонатора З і, не досягаючи анода А , потенціал якого негативний відносно сіток резонатора, відбиваються, пролітають через резонатор у зворотному напрямі і так далі Якби електрони пролітали через резонатор суцільним потоком, то протягом одного напівперіоду коливань резонатора вони віддавали б резонаторам енергію, а протягом другого напівперіоду віднімали б цю ж кількість енергії в резонатора, і Р. е. до. було б неможливо. Якщо ж електрони влітають в резонатор окремими «згустками», причому в такі моменти, коли резонатор їх гальмує, то вони віддають резонатору енергії більше, ніж забирають у нього. При цьому електронний потік підсилює виниклі в резонаторі випадкові коливання і підтримує їх з постійною амплітудою. Т. до. групування електронного потоку в згустки відбувається за час, відповідний декільком періодам коливань, то протяжність «простору угрупування» задається швидкістю електронів і частотою коливань, що генеруються. Завдяки цьому найбільше поширення клістронні генератори мають в сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль. Потужність клістронів невелика — від декілька мвт в міліметровому діапазоні до декількох Вт в сантиметровому. Потужність дворезонаторних пролітних клістронних генераторів ( мал. 10 , би) в сантиметровому діапазоні може складати десятки Вт (детальніше за див.(дивися) Клістрон ).
Квантові пучкові генератори. У квантових генераторах роль високодобротної колебат. системи виконують збуджені атоми або молекули активної речовини. Переходячи із збудженого стану в незбуджений, вони випромінюють порції (кванти) електромагнітної енергії, рівні hv, де h — Планка постійна, v — частота електромагнітних коливань, характерна для даного сорту атомів. Джерелом енергії є збуджені атоми і молекули, а для відбору збуджених молекул служить та, що сортує система. Наприклад, в молекулярному генераторі на аміаку джерелом живлення є джерело молекулярного пучка аміаку. Об'ємний резонатор, в якому знаходиться активна речовина, здійснює зворотний зв'язок, викликаючи за допомогою електромагнітного поля вимушене випромінювання молекул і вкладення коливальної енергії, компенсуюче втрати, включаючи відбір енергії в зовні. Аміачний генератор працює на частоті 23,870 Ггц з вельми стабільною і вузькою спектральною лінією коливань, що генеруються, за рахунок високої добротності квантового переходу . Висока стабільність частоти коливань, що генеруються квантовими генераторами в радіодіапазоні (на аміаку, водні синильній кислоті і ін.), дозволяє використовувати їх як квантові стандарти частоти .
Релаксаційні генератори . Існує широкий клас генераторів, в яких пасивні ланцюги, де збуджуються і підтримуються коливання, не володіють коливальними властивостями (контури з великими втратами і ін. аперіодичні ланцюги, наприклад комбінації ємностей З і опорами R або індуктівностей L і опорів R ). У подібних генераторах за кожен період коливань втрачається і знов поповнюється значна частина всієї коливальної енергії. Період коливань, що генеруються, при цьому визначається часом релаксації (процесу встановлення рівноваги) в цих ланцюгах. Такі генератори називають релаксаційними. У цьому випадку форма коливань визначається спільно властивостями коливальних ланцюгів і активного елементу і може бути вельми всілякою — від стрибкоподібних, майже розривних коливань (наприклад, мультивібратори) до коливань, скільки завгодно близьких до гармонійних ( RC -генератори синусоїдальних коливань). Ця особливість релаксаційних генераторів широко використовується для здобуття електричних коливань спеціальної форми, наприклад прямокутних імпульсів, пилкоподібного напруги ( мал. 11 ) і струму, а також для генерації гармонійних коливань звукової і наднизької частот.
Тіратронний генератор пилкоподібної напруги — простий релаксаційний генератор ( мал. 12 , а). В тиратрона напруга запалення вище напруги гасіння. Його напруга U змінюється практично лінійно з часом до деякого максимального значення, а потім досить швидкий падає до початкової величини ( мал. 11 ). Т. до. вольтамперная характеристика тиратрона володіє падаючою ділянкою характеристики ( мал. 12 , би), то процес зарядки ємкості З до напруги запалення тиратрона відбувається повільно, після чого накопичений на ємкості заряд швидко розряджається через тиратрон; напруга на нім падає до значення, при якому тиратрон гасне. При цьому внутрішній опір тиратрона стає великим, внаслідок чого зарядка ємкості З повторюється, і так далі Період коливань визначається часом зарядки і розрядки ємкості, тобто часом релаксації ланцюга RC .
Високу міру лінійності зміни напруги на ємкості можна отримати, застосовуючи замість опору R в тіратронном генераторі пристрій (наприклад, пентод), що підтримує постійний струм в процесі зарядки конденсатора, або застосовуючи негативний зворотний зв'язок. Частотою коливань тіратронного генератора можна (у відомих межах) управляти, подаючи синхронізуючу напругу на сітку тиратрона.
В тіратронном генераторі за період коливань відбувається повний енергообмін. Вся енергія, запасена в конденсаторі за час зарядки, витрачається за час його розрядки через тиратрон. У цій системі немає ланцюгів, в яких можливі ті, що коливають процеси у відсутність джерел живлення.
Мультивібратор на електронних лампах або транзисторах є двотактним пристроєм, в якому Р. е. до. здійснюється шляхом поперемінної зарядки і розрядки двох ємкостей C 1 і C 2 ланцюгів RC за допомогою двох взаємозв'язаних транзисторів T 1 і T 2 . У симетричному мультивібраторі ( мал. 13 , а) транзистори T 1 і T 2 «відмикаються» і «закриваються» поперемінно і так же поперемінно відбуваються зарядка і розрядка ємкостей C 1 і C 2 . При цьому різкі скачки напруги і струмів в окремих елементах схеми відповідають швидкій зміні розряду на заряд, відмиканню і замиканню транзисторів ( мал. 13 , би). Проте ці швидкі процеси протікають так, що запас енергії в ємкості змінюється безперервно.
Різні варіанти мультивібраторів застосовуються для здобуття періодичної напруги різної форми, необхідних для роботи електронних пристроїв. Період коливань визначається часом релаксації ланцюгів, що містять транзистори. Коливання можливі лише за рахунок підтримки в системі процесів зарядки і розрядки, що безперервно змінялися, в ланцюгах RC , що не володіють власними коливальними властивостями.
RC -генератор синусоїдальних коливань також не містить коливальних ланцюгів. Проте за рахунок вибору ланцюга управління активним елементом (електронною лампою, транзистором) умови Р. е. до. виконуються лише для одного гармонійного вагання з частотою, визначуваній часом релаксації ланцюжків RC ( мал. 14 ). Наприклад, в RC -генераторе з електронною лампою термістор підтримує посилення лампи на рівні, що лише трохи перевищує критичний рівень, відповідний умові самозбудження. Із зростанням струму зростає температура термістора і збільшується його опір, що, у свою чергу, веде до зниження крутості характеристики лампи за рахунок виникнення негативного зворотного зв'язку. Т. до. робота при цьому відбувається практично на лінійній частині характеристики лампи, то умови Р. е. до. виконуватимуться лише для однієї частоти.
В подібному пристрої відбувається повний енергообмін за кожен період вагання. При відключенні джерела живлення вагання зникають, і в системі можуть мати місце лише аперіодичні релаксаційні процеси. За допомогою RC -генератора отримують гармонійні коливання в діапазоні частот від доль гц до десятків і сотень кгц . Rc-генераторі широко застосовуються як джерела еталонних коливань.
Генератором Ганна є невеликий (~100 мкм ) монокристал напівпровідника, через який пропускається постійний струм. При щільності струму, що створює в напівпровіднику напруженість поля не менше 300 кв/м (3 кв/см ), в об'ємі напівпровідника виникають нестаціонарні процеси, що приводять до появи надвисокочастотної змінної складовою струму, поточного через напівпровідник, і до виникнення на електродах змінної напруги СВЧ (див. Ганна ефект ).
В генераторі Ганна енергія джерела постійного струму перетвориться в коливальну енергію в кристалі, який одночасно грає роль і коливальної системи, і активного елементу. Відсутністю високодобротного резонатора можна пояснити немонохроматичність коливань. Спектральна лінія, відповідна основній частоті широка; крім того, одночасно збуджується велике число побічних частот. За допомогою генераторів Ганна, які можуть застосовуватися як малопотужні гетеродини, удається здійснювати Р. е. до. частотою від 100 Мгц до 10 Ггц і потужністю до 10 Мвт (при безперервному генеруванні) і сотень Вт (при імпульсній роботі). Генератори Ганна компактні і перспективні в мікроелектроніці . Основне обмеження потужності, що генерується, — нагрівання кристала при проходженні через нього значних постійних струмів.
Перетворювачі частоти . До них можна віднести деяких типів квантових генераторів радіодіапазону (мазеров ) і оптичного діапазону (лазерів ), у яких створення збуджених станів відбувається за рахунок поглинання електромагнітного випромінювання (накачування) з частотою, що істотно перевищує частоту коливань, що генеруються. Ці генератори можна розглядати як вторинні, перетворюючі енергію коливань накачування в коливання певної частоти, визначуваної режимом і властивостями активної речовини. Так, в радіочастотному парамагнітному мазері накачування на частоті в 10 Ггц дозволяє генерувати коливання з частотою до 5 Ггц із стабільністю частоти, визначуваною лише стабільністю температури і магнітного поля (див. Квантовий підсилювач ).
В твердотілих лазерах на рубіні або неодимовому склі поглинання широкого спектру коливань в області зеленої і синьої частині спектру приводить до генерації вузької спектральної лінії з довжиною хвилі l = 6943 (для рубінового лазера) і l = 10582 (для лазера з неодимовим склом).
Перетворювачами частоти є також параметричні генератори. Параметричні генератори радіодіапазону є резонансною коливальною системою — контуром або об'ємним резонатором, в якому один з енергоємних (реактивних) параметрів L або З залежить від прикладеної напруги або протікаючого струму. При періодичному зміні однієї з величин З або L за допомогою зовнішніх коливань (накачування) частоти l н в контурі можуть збуджуватися і підтримуватися коливання частоти l = 1 / 2 l н . найширше поширені малопотужні параметричні генератори із змінною ємкістю, створеною замкнутим напівпровідниковим діодом спеціальною конструкції (параметричним діодом). Вживання багатоконтурних схем дозволяє генерувати коливання з частотою, не зв'язаною жорстким співвідношенням з частотою накачування, і тим самим здійснювати перетворення енергії вихідних коливань однієї частоти в енергію коливань необхідної частоти (див. Параметричне збудження і посилення електричних коливань ).
Аналогічний принцип використовується для збудження коливань оптичного діапазону. Проте в цьому випадку параметричні явища носять хвилевий характер і здійснюються не в коливальному контурі, а в анізотропному кристалі (див. Параметричні генератори світла ).
Літ.: Бонч-Бруєвіч М. А., Основи радіотехніки, М., 1936; Харкевіч А. А., Автоколивання, М., 1954; Теодорчик До. Ф., Автоколивальні системи, М., 1952: Горелік Р. С., Коливання і хвилі, 2 видавництва, М., 1959.
