§ 31. Ламповый генератор электрических колебаний

В томе II, § 106, мы познакомились с устройством электронной лампы и видели, что изменение напряжения на ее сетке меняет силу тока в ее анодной цепи. Когда сетка заряжена отрицательно, то электроны не могут пролетать к аноду, ток не идет, лампа, как говорят, «заперта». Зарядив сетку положительно, мы «отпираем» лампу, т. е. через нее может идти ток. Изменения анодного тока следуют за изменениями напряжения на сетке практически мгновенно — через десятимиллиардные доли секунды (время пролета электронов от сетки к аноду), т. е. электронная лампа является «выключателем» с ничтожной инерцией. Поэтому, соединив лампу с колебательным контуром и батареей так, чтобы в нужные моменты лампа отпиралась и пропускала ток к конденсатору, мы можем получить электрическую автоколебательную систему, позволяющую возбуждать (генерировать) незатухающие электрические колебания.

Очевидно, для того чтобы колебания в контуре управляли анодным током лампы, надо подать на ее сетку напряжение, зависящее от колебаний тока или напряжения в контуре, т. е., как говорят, связать контур с сеточной цепью лампы. Такая электрическая связь может быть осуществлена различными способами — при помощи электростатической индукции (емкостная связь), при помощи электромагнитной индукции (индуктивная связь) и т. д. Главное здесь заключается не в том, каким именно способом контур связан с лампой, а в том, что благодаря этой связи мы имеем не только действие лампы на колебания в контуре, но и обратное воздействие этих колебаний на лампу. Разнообразные способы соединения лампы с колебательным контуром, обеспечивающие такое обратное воздействие, являются примерами так называемой обратной связи, а сами электрические автоколебательные системы такого рода называются ламповыми генераторами. Современные ламповые генераторы позволяют получать колебания с частотами до нескольких миллиардов герц и применяются чрезвычайно широко. Они служат основой каждой радиостанции и входят в состав многих типов радиоприемников.

На рис. 58 показана одна из весьма многочисленных и разнообразных схем лампового генератора — схема с индуктивной обратной связью.

Колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности  и конденсатора емкости , включен последовательно с батареей  в анодную цепь лампы, т. е. между анодом  и накаленной нитью (катодом) . Нить накаливается током от батареи накала . В сеточную цепь лампы — между сеткой  и катодом  — включена вторая катушка индуктивности , связанная индуктивно с катушкой  контура. Таким образом, катушки  и  образуют как бы первичную и вторичную обмотки трансформатора, но без сердечника. Впрочем, в генераторах низких (звуковых) частот можно применять трансформатор с железным сердечником.

Катушка  управляет напряжением на сетке и осуществляет обратную связь между колебаниями в контуре и на сетке лампы.

Представим себе, что в контуре, состоящем из катушки индуктивности  и конденсатора емкости , происходят колебания. По катушке  протекает переменный ток, который наводит в катушке  переменную э. д. с. Сетка заряжается то положительно, то отрицательно по отношению к катоду , причем период этих колебаний сеточного напряжения, очевидно, тот же, что и период колебаний в контуре , т. е.

.

Лампа то «отпирается», то «запирается»; таким образом, колебания в контуре вызывают пульсации анодного тока лампы. Анодный ток, идущий от анода через контур  к катоду, разветвляясь, проходит через катушку индуктивности и конденсатор (разумеется, постоянная, т. е. не меняющаяся со временем, составляющая анодного тока проходит при этом только через катушку, так как постоянный ток через конденсатор идти не может, см. том II, § 159). Если фаза колебаний анодного тока подобрана правильно, т. е. «толчки» анодного тока действуют на контур в нужные моменты, то колебания в контуре будут поддерживаться (ср. § 30). Другими словами, за каждый период колебаний от батареи  будет заимствоваться порция энергии, как раз покрывающая потери энергии в контуре за то же время, и колебания будут незатухающими. Если поменять местами концы катушки , то фаза колебаний сеточного напряжения изменится на 180°, и колебания не возбудятся (аналогично тому, как это получалось в системе, изображенной на рис. 56).

Рис. 58. Ламповый генератор

Наблюдать колебания можно с помощью электронного осциллографа или — если колебания имеют звуковую частоту — с помощью громкоговорителя, включенного прямо в анодную цепь лампы. Можно также включить в конденсаторную ветвь контура лампочку накаливания (от карманного фонаря или автомобильную, в зависимости от мощности генератора). Так как лампочка включена последовательно с конденсатором, постоянная составляющая анодного тока через нее не проходит. Следовательно, лампочка будет загораться только при наличии в контуре электрических колебаний.

С помощью лампового генератора, подобного описанному, нетрудно наблюдать и явление электрического резонанса, связав индуктивно с контуром  генератора второй такой же колебательный контур, но с переменным конденсатором и с включенной в контур лампочкой накаливания. Плавно меняя емкость в этом контуре, его можно настроить в резонанс на частоту генератора. При соответствующем подборе лампочки и связи между контурами нетрудно добиться таких условий, что при резонансе лампочка вспыхивает, а при расстройке гаснет.