Первые ламповые генераторы для компьютером схемы. §2.12. ламповый генератор

Все началось с того, что мне несколько лет назад в руки попала лампа 6П45С. Естественно сразу нашел, что на ней можно собрать, а именно - катушку Теслы на радиолампе. Собрал, включил – с трудом заработала. Но в итоге все-таки спалил эту лампу из-за своей неопытности. Как-никак первый раз в жизни держал лампу в руках:) С тех пор собрал много разных , начиная от разрядника и заканчивая полупроводниками. И вот снова пришла идея собрать катушку Теслы в приличном корпусе, чтоб не стыдно показать было друзьям. А то все на проводах, да на проводах. Начал собирать по стандартной схеме, но решил внести некоторые поправки. Хотел, чтоб работала в 2-х режимах. В режиме 220В и 900В с прерывателем. Напряжения 900В собирался достигнуть собрав умножитель на три. Исходя из схемы, чтобы переключить режим, необходимо одновременно изменить положение всех переключателей.

Конденсатор С1 взят вроде как из магнитофона. Но его все время пробивало и я его заменил на здоровый советский, из приемника. Трансформатор для накала мотал сам, вернее вторичку миллиметровым проводом. Генератор задающей частоты собрал на таймере NE555. С четырьмя режимами генерации и точной настройкой.

Собирать решил в корпусе от блока питания ATX. Хоть меня многие и отговаривали от металлического корпуса, но я их не послушал. Корпус бьется ВЧ током, если не заземлить высоковольтную обмотку. Мне удалось от этого избавиться благодаря ВЧ фильтру. Отвод от С3 и С4 идет на корпус и весь ВЧ ток с корпуса уходит через эти конденсаторы.

В общем приступил к сборке... Проковырял отверстия под все переключатели, регуляторы и панельку лампы, начал заталкивать в корпус.

И тут понял, что умножитель не помещается. Недолго думая функцию умножителя и прерывателя заменил на режим ионофона. Это немного упростило схему, но схему уже я эту не рисовал, так как сразу собрал на ходу:) Ионофон работает почти как прерыватель в катоде, только «прерывает» под музыку. Транзистор поставил Н-П-Н. Марку точно не скажу - выдрал его из монитора от компьютера, он стоял где-то в строчной развертке.

Вот принципиальная схема ионофона. Здесь можно изменять частоту генерации и скважность импульсов.

Несколько фотографий процесса сборки Теслы на 6п45с. Во время сборки проводил «тест драйвы» и если не работала - искал косяки. Кстати, здесь переменный конденсатор еще из магнитофона, который постоянно пробивало...

На этой фотографии тот самый транзистор на радиаторе, слева. Можете попробовать прочитать название, если получится.

Пару слов про вторичку (высоковольтную обмотку). Мотал ее давно, думал пригодится - и пригодилась таки! Мотал на трубе из под пищевой фольги. Диаметр около 3см высота 28см и примерно 1500 витков провода 0,16мм. Первичку мотал 30 витков с отводом от каждого 5-го. Весит полностью вся Тесла порядка 2кг.

Готовый девайс:

Несколько фото в действии))

Со вспышкой и без.

Ну и пара видеороликов демонстрирующих работу генератора.

На ролике, где катушка работает в режиме ионофона, на компьютере постоянно мерцают значки если заметили - это на клавиатуре лежали ножницы и нажали на кнопки. Автор конструкции: Денис.

Обсудить статью ГЕНЕРАТОР ТЕСЛА НА ЛАМПЕ

Юным радиолюбителям посвящается…

Предисловие

Радиосигнал, однажды сгенерированный, уносится в глубь Вселенной со скоростью света… Эта фраза, прочитанная в журнале «Юный техник» в далеком детстве произвела на меня очень сильное впечатление и уже тогда я твердо решил, что обязательно пошлю свой сигнал нашим «братьям по разуму», чего бы мне это не стоило. Но путь, от желания до воплощения мечты долог и непредсказуем…

Когда я только начинал заниматься радиоделом, мне очень хотелось построить портативную радиостанцию. В то время я думал, что она состоит из динамика, антенны и батарейки. Стоит только соединить их в правильном порядке и можно будет разговаривать с друзьями где-бы они не находились… Я изрисовал не одну тетрадку возможными схемами, добавлял всевозможные лампочки, катушки и проводки. Сегодня эти воспоминания вызывают у меня лишь улыбку, но тогда мне казалось, что еще чуть-чуть и чудо-устройство будет у меня в руках…

Я помню свой первый радиопередатчик. В 7 классе я ходил в кружок спортивной радиопеленгации (т.н. охоты на лис). В один из прекрасных весенних дней наша последняя «лиса» — приказала долго жить. Руководитель кружка, недолго думая, вручил мне её со словами — «… ну, ты там её почини…». Я наверное был страшно горд и счастлив, что мне доверили столь почетную миссию, но мои знания электроники на тот момент не дотягивали до «кандидатского минимума». Я умел отличать транзистор от диода и приблизительно представлял как они работают по отдельности, но как они работают вместе — для меня это было загадкой. Придя домой, я с благоговейным трепетом вскрыл небольшую металлическую коробочку. Внутри неё оказалась плата, состоящая из мультивибратора и генератора РЧ на транзисторе П416. Для меня это была вершина схемотехники. Самой загадочной деталью в данном устройстве была катушка задающего генератора (3,5МГц.), намотанная на броневом сердечнике. Детское любопытство пересилило здравый смысл и острая металлическая отвертка впилась в броневой кожух катушки. «Хрясь» — раздался хруст и кусок броневого корпуса катушки, со стуком упал на пол. Пока он падал, мое воображение уже нарисовало картину моего расстрела руководителем нашего кружка…

У этой истории был счастливый конец, правда случился он через месяц. «Лису» я все-таки починил, хотя точнее сказать — сделал её заново. Плата радиомаяка, сделанная из фольгированного гетинакса, не выдержала пыток моим 100 ваттным паяльником, дорожки отслоились от постоянной перепайки деталей… Пришлось плату делать заново. Спасибо моему папе, что принес (достал где-то с большим трудом) фольгированный гетинакс, а маме — за дорогой французский красный лак для ногтей, который я использовал для рисования платы. Новый броневой сердечник мне достать не удалось, но зато удалось аккуратно склеить старый клеем БФ… Отремонтированный радиомаяк радостно послал в эфир свое слабое «ПИ-ПИ-ПИ», но для меня это было сравни запуску первого искусственного спутника Земли, возвестившего человечеству о начале космической эры таким-же прерывистым сигналом на частоте 20 и 40 МГц. Вот такая история…

Схема устройства

В мире существует огромное количество схем генераторов, способных генерировать колебания различной частоты и мощности. Обычно, это достаточно сложные устройства на диодах, лампах, транзисторах или других активных элементах. Их сборка и настройка требует некоторого опыта и наличия дорогих приборов. И чем выше частота и мощность генератора, тем сложнее и дороже нужны приборы, тем опытнее должен быть радиолюбитель в данной теме.

Но сегодня, мне бы хотелось рассказать о достаточно мощном генераторе ВЧ, построенном всего на одном транзисторе. Причем работать этот генератор может на частотах до 2ГГц и выше и генерировать достаточно большую мощность — от единиц до десятков ватт, в зависимости от типа применяемого транзистора. Отличительной особенностью данного генератора, является использование симметричного дипольного резонатора, своеобразного открытого колебательного контура с индуктивной и емкостной связью. Не стоит пугаться такого названия — резонатор представляет собой две параллельные металлические полоски, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга.

Свои первые опыты с генераторами подобного вида я проводил ещё в начале 2000-х годов, когда для меня стали доступны мощные ВЧ-транзисторы. С тех пор я периодически возвращался к этой теме, пока в середине лета на сайте VRTP.ru не возникла тема по использованию мощного однотранзисторного генератора в качестве источника ВЧ-излучения для глушения бытовой техники (музыкальных центров, магнитол, телевизоров) за счет наведения модулированных ВЧ-токов в электронных схемах этих устройств. Накопленный материал и лег в основу данной статьи.

Схема мощного генератора ВЧ, достаточно проста и состоит из двух основных блоков:

1. Непосредственно сам автогенератор ВЧ на транзисторе;
2. Модулятор — устройство для периодической манипуляции (запуска) генератора ВЧ сигналом звуковой (любой другой) частоты.

Детали и конструкция

«Сердцем» нашего генератора является высокочастотный MOSFET-транзистор . Это достаточно дорогостоящий и мало распространенный элемент. Его можно купить за приемлемую цену в китайских интернет-магазинах или найти в высокочастотном радиооборудовании — усилителях/генераторах высокой частоты, а именно, в платах базовых станций сотовой связи различных стандартов. В своем большинстве эти транзисторы разрабатывались именно под данные устройства.
Такие транзисторы, визуально и конструктивно отличаются от привычных с детства многим радиолюбителям КТ315 или МП38 и представляют собой «кирпичики» с плоскими выводами на мощной металлической подложке. Они бывают маленькие и большие в зависимости от выходной мощности. Иногда, в одном корпусе располагаются два транзистора на одной подложке (истоке). Вот как они выглядят:

Линейка внизу, поможет вам оценить их размеры. Для создания генератора могут быть использованы любые MOSFET-транзисторы. Я пробовал в генераторе следующие транзисторы: MRF284, MRF19125, MRF6522-70, MRF9085, BLF1820E, PTFA211801E — все они работают. Вот как данные транзисторы выглядят внутри:

Вторым, необходимым материалом для изготовления данного устройства является медь . Необходимы две полоски данного металла шириной 1-1,5см. и длинной 15-20см (для частоты 400-500 МГц). Можно сделать резонаторы любой длинны, в зависимости от желаемой частоты генератора. Ориентировочно, она равна 1/4 длинны волны.
Я использовал медь, толщиной 0,4 и 1 мм. Менее тонкие полоски — будут плохо держать форму, но в принципе и они работоспособны. Вместо меди, можно использовать и латунь . Резонаторы из альпака (вид латуни) тоже успешно работают. В самом простом варианте, резонаторы можно сделать из двух кусочков проволоки, диаметром 0,8-1,5 мм.

Помимо ВЧ-транзистора и меди, для изготовления генератора понадобится микросхема 4093 — это 4 элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта на входе. Её можно заменить на микросхему 4011 (4 элемента 2И-НЕ) или её российский аналог — К561ЛА7 . Также можно использовать другой генератор для модуляции, например, собранный на таймере 555 . А можно вообще исключить из схемы модулирующую часть и получить просто ВЧ-генератор.

В качестве ключевого элемента применен составной p-n-p транзистор TIP126 (можно использовать TIP125 или TIP127, они отличаются только максимально допустимым напряжением). По паспорту он выдерживает 5А, но очень сильно греется. Поэтому необходим радиатор для его охлаждения. В дальнейшем, я использовал P-канальные полевые транзисторы типа IRF4095 или P80PF55 .

Сборка устройства

Устройство может быть собрано как на печатной плате, так и навесным монтажом с соблюдением правил для ВЧ-монтажа. Топология и вид моей платы приведены ниже:

Эта плата рассчитана на транзистор типа MRF19125 или PTFA211801E . Для него прорезается отверстие в плате, соответствующее размеру истока (теплоотводящей пластины).
Одним из важных моментов сборки устройства является обеспечение теплоотвода от истока транзистора. Я применил различные радиаторы, подходящие по размеру. Для кратковременных экспериментов — таких радиаторов достаточно. Для долговременной работы — необходим радиатор достаточно большой площади или применение схемы обдува вентилятором.
Включение устройства без радиатора, чревато быстрым перегревом транзистора и выходом из строя этого дорогостоящего радиоэлемента.

Для экспериментов, мною были изготовлены несколько генераторов по разные транзисторы. Также я сделал фланцевые крепления полосковых резонаторов, чтобы можно было их менять без постоянного нагрева транзистора. Представленные ниже фотографии помогут вам разобраться в деталях монтажа.

Запуск устройства

Перед запуском генератора, необходимо еще раз проверить правильность его соединений, чтобы у вас не образовалась весьма не дешёвая кучка транзисторов с надписью «Сгорел».


Первый запуск, желательно производить с контролем потребляемого тока. Этот ток, можно ограничить до безопасного уровня использовав резистор на 2-10 Ом в цепи питания генератора (коллектор или сток модулирующего транзистора).
Работу генератора можно проверить различными приборами: поисковым приемником, сканером, частотомером или просто энергосберегающей лампой. ВЧ-излучение, мощностью более 3-5 Вт, заставляет её светиться.

ВЧ-токи легко нагревают некоторые материалы вступающие с ними в контакт в т. ч. и биологические ткани. Так, что будьте осторожны, можно получить термический ожог прикоснувшись к оголенным резонаторам (особенно при работе генераторов на мощных транзисторах). Даже небольшой генератор на транзисторе MRF284, при мощности всего около 2-х ватт — легко сжигает кожу рук, в чем вы можете убедиться на этом видео:

При некотором опыте и достаточной мощности генератора, на конце резонатора, можно зажечь т.н. «факел» — небольшой плазменный шарик, который будет подпитываться ВЧ-энергией генератора. Для этого достаточно просто поднести зажженную спичку к острию резонатора.

Т.н. «факел» на конце резонатора.

Помимо этого, можно зажечь ВЧ-разряд между резонаторами. В некоторых случаях, разряд напоминает крошечную шаровую молнию хаотично перемещающуюся по всей длине резонатора. Как это выглядит вы можете увидеть ниже. Несколько увеличивается потребляемый ток и во всем доме «гаснут» многие каналы эфирного телевидения))).

Применение устройства

Помимо этого, наш генератор может быть применен для изучения воздействия ВЧ-излучения на различные устройства, бытовую аудио и радиоаппаратуру с целью изучения их помехоустойчивости. Ну и конечно, с помощью данного генератора можно послать сигнал в космос, но это уже другая история…

P.S. Не следует путать этот ВЧ-автогенератор с различными EMP-jammers. Там генерируются импульсы высокого напряжения, а наше устройство генерирует излучение высокой частоты.

Прибор, принципиальная схема которого приведена на рис. 1, представляет собой звуковой генератор, работающий в диапазоне частот от 23 гц до 32 кгц. Весь диапазон частот разбит на четыре поддиапазона 23— 155 гц, 142— 980 гц, 800— 5500 гц, 4.9— 32 кгц. В приборе имеется индикатор выходного напряжения, а также делители плавный и ступенчатый, с помощью которых можно регулировать выходное напряжение от 10 мв до 10 в. Коэффициент нелинейных искажений ие превышает 3%. Точность измерения выходного напряжения 3%.

Принципиальная схема

Как видно из рис. 1, звуковой генератор состоит из двухкаскадиого возбудителя Л1, катодного повторителя Л2, выходного устройства и выпрямителя.

Возбудитель собран по схеме с реостатно-емкостной настройкой и представляет собой двухкаскадный усилитель низкой частоты с положительной обратной связью. Первый каскад усиления собран иа левом триоде лампы Л1 с нагрузкой в виде резистора R17. Второй каскад усиления собран на правом триоде лампы Л1.

В качестве нагрузки используется резистор R18. Связь между каскадами осуществляется через конденсатор С6. Необходимая для возникновения колебаний положительная обратная связь подается из анодной цепи правого триода на управляющую сетку левого триода через конденсатор большой емкости С5 и делитель, состоящий из двух участков: резистора R14, соединенных последовательно конденсаторов С1, С2 и резистора R7 и соединенных параллельно конденсаторов С3, С4.

Напряжение, воздействующее на управляющую сетку левого триода Л1, снимается с параллельного участка делителя R7. С3, С4. Применение частотнозависимого делителя позволяет получить условия самовозбуждения только для одной частоты, при которой сдвиг фаз между напряжением положительной обратной связи на управляющей сетке левого триода (делителе R7, СЗ, С4) и аноде правого триода Л1 равен нулю. Это позволяет получить с помощью такого генератора синусоидальные колебания.

Для изменения частоты генерации необходимо изменять параметры элементов, входящих в цепочки делителя. В данной схеме плавное изменение частоты осуществляется изменением емкости сдвоенного конденсатора СІ, С4, а скачкообразное — переключателем В1, который изменяет величины резисторов, входящих в цепочки делителя (R5, R6 и R12, R13; R3, R4 и R10, R11; R1, R2 и R8, R9).

Как показывают расчеты, при любой частоте и а управляющую сетку левого триода лампы Л1 будет всегда поступать достаточно большое напряжение, поэтому каскады усилителя из-за перегрузки будут вносить большие искажения. Уменьшения этих искажений добиваются с помощью отрицательной обратной связи, цепь которой состоит из переменного резистора R15, постоянного резистора R16 и включенных в левый катод лампы ламп накаливания Л3, Л4.

Цепь отрицательной обратной связи стабилизирует также выходное напряжение, которое сравнительно сильно меняется при изменении частоты. При увеличении выходного напряжения возбудителя увеличивается глубина отрицательной обратной связи, снижающей коэффициент усиления первого каскада генератора. Таким образом, выходное напряжение генератора окажется стабилизированным по диапазону.

Наименьшие искажения на выходе возбудителя будут тогда, когда напряжение, снимаемое с параллельной ветви делителя, близко к напряжению отрицательной обратной связи, величина которой при регулировке прибора устанавливается с помощью переменного резистора R15.

С выхода возбудителя через переходной конденсатор С7 напряжение звуковой частоты подается на вход катодного повторителя, собранного на лампе Л2. Нагрузкой лампы служит потенциометр R23. Делителем, состоящим из резисторов R22, R21, устанавливается необходимый режим работы этого каскада. Резистор R20 ограничительный. Применение катодного повторителя, имеющего большое входное сопротивление, позволяет уменьшить реакцию нагрузки на частоту генератора и величину искажений, вносимых выходным каскадом.

Выходное устройство состоит из плавного (R23) и ступенчатого (R26, R27; R28,. R29) делителей и обычного диодного вольтметра, в котором используется гальванометр со шкалой 50 мка. Резисторы R24, R25 установочные. Применение резистора R30 позволяет получить лучшую линейность шкалы.

Детали

Выпрямитель собран по обычной двухполупериодной схеме удвоения напряжения. Питание прибора может осуществляться от сети переменного тока с напряжением 110. 127 и 220 в.

Расположение деталей на шасси показано иа рис. 2. Шасси размером 180X X 170x63 мм изготавливают из алюминия толщиной 2 мм. К нему прикреплена передняя панель размером 150Х 180 мм. Вид со стороны передней панели показан на рис. 3, со стороны монтажа — на рис. 4. Возможно и другое расположение деталей, однако следует стремиться, чтобы трансформатор питания Тр1 был максимально удалей от сеточных цепей лампы Л1.

Переключатель В1 двухплатный на четыре положения. Вторая плата использована для крепления отдельных резисторов частотно-зависимого делителя.

Лампы Л3, Л4 использованы от кинопроектора «Луч» (110 в, 8 вт). Можно применить одну лампу иа 220 в мощностью 10— 25 вт. Трансформатор питания от приемника «Рекорд-53М». Можно использовать трансформаторы и от приемников «Москвич-В», «Волна», АРЗ-52 и др.

Для удобства налаживания прибора ветви частотно-зависимого делителя составляются из двух последовательно соединенных резисторов (R1, R2, R8, R9 и т. д.). Налаживание генератора начинают с проверки работы выпрямителя. Под нагрузкой напряжение на выходе выпрямителя должно быть равно 280—320 в. Ток, потребляемый прибором от выпрямителя, должен лежать в пределах 30—35 ма.

После этого к выходу генератора (1/1—Гн1) подключают осциллограф н добиваются иа самом низкочастотном поддиапазоне устойчивых колебаний и отсутствия искажений. На форму кривой генерируемых колебаний в значительной степени влияет величина отрицательной обратной связи. При слабой отрицательной обратной связи (R15 велико) получаются более устойчивые колебания, но с заметными искажениями формы.

При сильной связи колебания срываются. Поэтому подбором величины отрицательной обратной связи (R15) находят компромиссное решение: глубину обратной связи выбирают такой, при которой обеспечивается достаточно устойчивая генерация на всем диапазоне частот и хорошая форма кривой.

Для градуировки шкалы генератора можно воспользоваться измерителем частоты или генератором звуковых частот. В последнем случае градуировка каждой из четырех шкал осуществляется с помощью фигур Лиссажу, наблюдаемых иа экране трубки осциллографа. Градуировка индикатора выхода производится с помощью лампового образцового вольтметра, который подключается между точками а— б схемы.

Изменение напряжения, подаваемого иа вход делителя (или индикатора), осуществляется потенциометром R23, иа котором выделяется переменная составляющая напряжения порядка 13 в. Установив напряжение на образцовом вольтметре 10 в переменным резистором R24, добиваются, чтобы стрелка индикатора отклонилась на всю шкалу. Устанавливая по образцовому вольтметру потенциометром R23 напряжение, соответствующее 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 и 1 в, каждый раз делают соответствующие пометки иа шкале индикатора цА.

Следует указать, что наличие постоянной емкости С2 в верхней ветви делителя значительно улучшает условия возникновения колебаний на высоких частотах и способствует выравниванию амплитуды колебаний возбудителя при любом положении блока конденсаторов переменной емкости. При отсутствии лампы 6П14П ее можно заменить лампами типа 6П15П, 6П18П или 6Ж5П.

Делитель напряжения при точном выборе значений, указанных иа схеме резисторов, никаких подгонок не требует. Следует лишь учесть, что необходимое ослабление, которое дает делитель, будет иметь место лишь в том случае, если со,-противление нагрузки в несколько раз превышает сопротивление делителя, к которому эта нагрузка присоединяется.

§ 133. Ламповый генератор

Выше было рассмотрено применение трехэлектродной лампы в электронном усилителе. Однако триоды широко применяют и в ламповых генераторах, которые служат для создания переменных токов различной частоты.
Простейшая схема лампового генератора приведена на рис. 192. Основными его элементами являются триод и колебательный контур. Для питания нити накала лампы используется батарея накала Б н. В цепь анода включена анодная батарея Б a и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L к и конденсатора C к, Катушка L c включена в цепь сетки и связана индуктивно с катушкой L к колебательного контура. Если зарядить конденсатор, а затем замкнуть его на катушку индуктивности, то конденсатор будет периодически разряжаться и заряжаться, а в цепи колебательного контура возникнут затухающие электрические колебания тока и напряжения. Затухание колебаний вызвано потерями энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний переменного тока необходимо периодически с определенной частотой добавлять энергию в колебательный контур с помощью быстродействующего устройства. Таким устройством является триод. Если накалить катод лампы (см. рис. 192) и замкнуть анодную цепь, то в цепи анода появится электрический ток, который зарядит конденсатор С к колебательного контура. Конденсатор, разряжаясь на катушку индуктивности L к, вызовет в контуре затухающие колебания. Переменный ток, проходящий при этом через катушку L к, индуктирует в катушке L с переменное напряжение, воздействующее на сетку лампы и управляющее силой тока в цепи анода.

Когда на сетку лампы подается отрицательное напряжение, анодный ток в ней уменьшается. При положительном напряжении на сетке лампы в анодной цепи увеличивается ток. Если в этот момент на верхней пластине конденсатора С к колебательного контура будет отрицательный заряд, то анодный ток (поток электронов) зарядит конденсатор и тем самым скомпенсирует потери энергии в контуре.
Процесс уменьшения и увеличения тока в анодной цепи лампы повторится во время каждого периода электрических колебаний в контуре.
Если при положительном напряжении на сетке лампы верхняя пластина конденсатора С к заряжена положительным зарядом, то анодный ток (поток электронов) не увеличивает заряда конденсатора, а, наоборот, уменьшает его. При таком положении колебания в контуре не будут поддерживаться, а будут затухать. Чтобы этого не случилось, необходимо правильно включать концы катушек L к и L c и обеспечить этим своевременный заряд конденсатора. Если колебания в генераторе не возникают, то необходимо поменять местами концы одной из катушек.
Ламповый генератор является преобразователем энергии постоянного тока анодной батареи в энергию переменного тока, частота которого зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора, образующих колебательный контур. Нетрудно понять, что это преобразование в схеме генератора выполняет триод. Э. д. с., индуктируемая в катушке L c током колебательного контура, периодически воздействует на сетку лампы и управляет анодным током, который в свою очередь с определенной частотой подзаряжает конденсатор, возмещая таким образом потери энергии в контуре. Такой процесс повторяется многократно в течение всего времени работы генератора.
Рассмотренный процесс возбуждения незатухающих колебаний в контуре называют самовозбуждением генератора, так как колебания в генераторе сами себя поддерживают.

Приборы и принадлежности: трехэлектродная лампа, источник постоянного напряжения на 300 В, источник переменного напряжения на 4В, два воздушных конденсатора постоянной и переменной емкости, две катушки индуктивности, два конденсатора постоянной емкости, сопротивление, микроамперметр, индикатор высокочастотного электромагнитного поля на неоновой лампе, неизвестные емкость и индуктивность.

Краткая теория

Электрический колебательный контур представляет собой цепь (рис.1), состоящую из последовательно соединенных емкости С, индуктивности L и сопротивления R проводников.

В контуре происходят периодические изменения силы тока и связанных с ней величин. Перезарядку пластин конденсатора можно понять, вспомнив, в чем состоит явление самоиндукции.

Явление самоиндукции состоит в следующем: при всяком изменении тока в контуре в нем возникает э.д.с. самоиндукции  c , которая прямо пропорциональна скорости изменения тока в контуре (di/dt) и обратно этой скорости направлена:

Если ток нарастает, э.д.с. препятствует этому увеличению тока и создает индукционный ток противоположного направления. Если ток уменьшается, э.д.с. препятствует уменьшению тока и создает индукционный ток того же направления.

Рассмотрим работу контура. Зарядим конденсатор от внешнего источника электроэнергии до некоторой разности потенциалов U, сообщив его обкладкам заряды ±q , и затем с помощью ключа К замкнуть контур, то конденсатор начнет разряжаться и в цепи потечет некоторый ток. При малом значении R он будет очень быстро нарастать. Направление для тока i, показанное на рис.1, примем за положительное (верхняя пластина заряжена положительно, нижняя - отрицательно) и рассмотрим процессы, протекающие в контуре.

Допустим сначала, что омическое сопротивление проводника, из которых состоит контур, исчезающе мало, т.е. R»0, и пусть в начальный момент времени заряд конденсатора максимален (q=q o ). При этом разность потенциалов между его обкладками также максимальна (U=U o), а ток в цепи равен нулю (рис.2,а). Когда конденсатор начнет разряжаться, то в контуре потечет ток.

В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, но зато возникнет все возрастающая энергия магнитного поля, обусловленного током, текущим через индуктивность. Так как в цепи действует э.д.с. самоиндукции, ток будет увеличиваться постепенно, и через время t=1/4 T (четверть периода) он достигнет максимального значения (i=i o ), конденсатор разрядится полностью, и электрическое поле исчезнет, т.е. q =0 и U=0. Теперь вся энергия контура сосредоточена в магнитном поле катушки (рис.2,б). В последующий момент времени магнитное поле катушки начнет ослабевать, в связи с чем в ней индуцируется ток, идущий (согласно правилу Ленца) в том же направлении, в котором шел ток разрядки конденсатора. Благодаря этому конденсатор перезаряжается. Через время t=1/2 T магнитное поле исчезнет, а электрическое поле достигнет максимума. При этом q=q o , U=U o и i=0. Таким образом, энергия магнитного поля катушки индуктивности превратится в энергию электрического поля конденсатора (рис.2,в). Через время t=3/4 T конденсатор полностью разрядится, ток опять достигнет максимальной величины (i=i o ), а энергия контура сосредоточится в магнитном поле катушки (рис.2,г). В последующий момент времени магнитное поле катушки начнет ослабевать и индукционный ток, препятствующий этому ослаблению, перезарядит конденсатор. В результате к моменту времени t=T система (контур) возвращается в исходное состояние (рис.2,а) и начинается повторение рассмотренного процесса.

В ходе процесса периодически изменяются (колеблются) заряд и напряжение на конденсаторе, сила и направление тока, текущего через индуктивность. Эти колебания сопровождаются взаимными превращениями энергий электрического и магнитного полей.

Таким образом, если сопротивление контура равно нулю, то указанный процесс будет продолжаться неограниченно долго и мы получим незатухающие электрические колебания, период которых будет зависеть от величин L и С.

Колебания, происходящие в таком идеальном контуре (R=0), называются свободными , или собственными , колебаниями контура с периодом

. (10)

В реальном колебательном контуре омическое сопротивление R нельзя свести к нулю. Поэтому в нем электрические колебания всегда будут затухающими, так как часть энергии будет затрачиваться на нагревание проводников (Джоулево тепло).

Для осуществления незатухающих электрических колебаний необходимо обеспечить автоматическую подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура, т.е. необходимо создать автоколебательную систему. Такой системой незатухающих колебаний является ламповый генератор.

Ламповый генератор

Простейшая схема лампового генератора незатухающих электромагнитных колебаний приведена на рис.3

Он состоит из колебательного контура LC, включенного в анодную цепь трехэлектродной лампы последовательно с источником Б А постоянного анодного напряжения. Анодная батарея Б А является как бы "резервуаром", из которого подается энергия в колебательный контур. С катушкой L контура индуктивно связана катушка L 1 , концы которой подключены к сетке и катоду лампы. Она связывает работу лампы с колебательным процессом в контуре и называется катушкой обратной связи.

Трехэлектродная лампа вместе с катушкой обратной связи служит для того, чтобы энергия подавалась в контур в такт колебаниям. Незатухающие колебания получаются благодаря периодической подзарядке конденсатора анодным током лампы, проходящим через контур. Для того чтобы осуществлять периодическую подзарядку конденсатора контура в необходимые моменты времени, анодный ток должен иметь пульсирующий характер. Это обеспечивается путем соответствующего изменения потенциала на сетке лампы, который меняется при изменении направления тока разрядки в контуре LC за счет явления взаимной индукции между катушками L и L 1 .

При отрицательном заряде на сетке лампа оказывается "запертой", анодный ток через лампу не пойдет. Колебательный контур будет работать в обычном режиме. При положительном заряде на сетке лампа ’’откроется’’ и произведет подразядку конденсатора. Затем начнется повторение процесса.

Таким образом, лампа периодически подает в контур энергию от анодной батареи. Благодаря этому в контуре совершаются незатухающие электрические колебания.