电子管振荡器

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电子管振荡器利用电子管的放大作用,在导电的回路里产生电流的来回振荡,它是一切无线电发信机和超外差式收信机的心脏。一般无线电设备里常用的振荡频率是由每秒数十周到约30兆周,用特殊构造的新型电子管,振荡频率可以高到2000—3000兆周。

图1
图1 🔍原图 (665×637)

一个普通发电厂的发电机,它不停的转动所发出的电流,频率每秒不过50—60千周。要让这种发电机发出数千到上万周的交流电流,它的转速会高得惊人;若频率再高上去,只有完全利用没有机械惰性的电回路才能得到。这就是在无线电里必须采用电子管振荡器来产生高频电流的缘故。

图2
图2 🔍原图 (451×657)

当用电子管做放大器时,我们是有意识地使它的输出不反回来再影响输入。倘若我们有意识地让输出影响输入,那放大器就有可能变成振荡器。这样做的方法很多,举例来说,我们可以在输入和输出端各接一个线圈,把这两个线圈靠拢,发生互感作用,就能使输出影响输入。这样,如果有一微小电压变动加在输入端(栅、阴极间),便在输出端(屏、阴极间)的线圈里有相应的电流变动发生,由于有互感作用,又会在输入线圈里再感应一个电压,这是一个循环。因为从输入端有电压变动开始,通过电子管的作用,使输入端又有了电压的变动。在这感应电压的激动下,将会同样地发生第二循环。第一循环是被外加的电压“激发”的,而第二循环可以说是靠“回授”作用“自发”的。第二循环的终了,又是第三循环的开始,这样继续下去,由于电的作用迅速,每秒钟将发生许多次这样的循环,振荡器回路里的电流每秒钟有同样多次数的变动,这就是电流振荡。

电子管振荡器所起的作用,总起来看是从直流电源得到了交流电流。没有直流电源,电子管里根本没有电流,自然谈不上有电流的变动和振荡。这和弹簧在钟表里的作用相似,弹簧的用力是一个方向(相当于直流电源),而摆子是来回动的(相当于交流的振荡),可是没有弹簧的钟表,摆子不会摆动。

图3
图3 🔍原图 (682×429)

学打电码用的音频振荡器,就是采用这种简单振荡回路的。不过和输出线圈还串联着一付耳机,在接直流电源的线上又加了一个电键,按下电键把电源接通,便有音频电流通过耳机发出声音。同理,用电键控制一部发信机的振荡级,便可发射相应于电码符号的电磁波。

图4
图4 🔍原图 (646×491)

谈到这里,我们难免要问:1.电子管在这里到底有什么效用?2.用直流电源来产生交流振荡的过程,到底是怎样进行的?

首先,在上面所举的例子里,如果直接把输入和输出端接通,不用电子管,在外加电压的瞬时激动下,第一个循环也会发生,但是输入和输出线圈里都有电阻,电流很快的就小下去,不到几次循环便会停止流动,因此不会产生振荡。

图5
图5 🔍原图 (596×613)

其次,我们想像虽然有了电子管,但它的放大作用不够大,当受瞬时电压的激励时,在输出线圈里只有很小的电流,回授感应的电压自然也很小,这样几个循环以后,输入端的电压愈来愈小,电流的振荡便会停止。在这种情形下,如果输入端是联接着一个交流电源(例如设法让天线电流在输入线圈里感应一个高频电压),那么这时第一循环作用终了,在输入端产生的电压和交流电源第二周的电压相加,加强了电源电压的效果;第二循环作用终了所产生的电压再和第三周的交流电源电压相加,更加强电源电压的效果,这样不断的继续下去,可能使微小的电源电压变起相当大的作用,回授作用把电子管的放大能力提高了,但这时一切作用还只是放大作用而不是振荡作用,当外加交流电源消失时,一切作用便完全停止。这就是再生式收音机工作比较灵敏的原因,同时也说明没有电子管的足够放大作用,是不能产生电流振荡的。只有当微小的输入电压能够产生很大的输出电流时,振荡才有条件产生。因此电子管振荡器多数是用五极管或四极管来做成的。

图6
图6 🔍原图 (629×779)

在振荡器电子管的栅极上,通常串联着一个电阻,这可以认为是保护电子管的电阻,否则在能够产生很强的交流振荡的条件下,输入电压在每一循环的终了会愈来愈大,栅极和屏极电流也会愈来愈大,最后把屏极和栅极烧毁。有了串联电阻的限制作用,首先是输入交流电压过大时,栅极电流也不会太大,同时在这电阻上会产生电压降,使栅极上有直流负电压(因为栅极电流永远是由阴极经过电阻流到栅极),栅极输入交流电压愈大,这直流负电压也愈大,因此能限制屏流。

在振荡强的情形下,很大的栅极直流负电压会使屏流截止,输入电压的负半周使栅极更负,不起作用;正半周使栅极的负电压渐渐减少,部分时间起作用产生屏流。结果栅极电压变化一周,屏极电流只有一个很短的脉冲回授到栅极。脉冲屏流的最大值可能很大,但平均值却还不是太大,屏极还不致发高热烧毁。这种脉冲回授同样能够维持振荡,而且这样是充分利用电子管的方法。

我们拍球,球便上下跳动,手每对球用力都是在每周一个瞬间,这和我们用脉冲回授能够得到振荡电流,道理是一样的。不过单靠这种电流的振荡,也和球的运动一样,忽快忽慢,很不规则,电流的波形将远不像一个良好的正弦波形。

图7
图7 🔍原图 (849×587)

相反的,振荡较弱,每周有屏流的时间长,振荡电流的波形就接近正弦波形。许多音频振荡器为了得到比较纯的音调,多半是用甲类(栅极上没有电流)弱振荡回路的;在超外差式收音机里,为了免除振荡线路对其他线路有不良影响,也不采用极强的振荡。而且,振荡过强的回路,通常不够稳定,所以比较好的发信机里也不常用。只有级数比较小的发信机需要尽量利用振荡器产生较大高频电流,才调整到有很强振荡。

图8
图8 🔍原图 (445×558)

在强振荡情形下改进波形的方法,是在输入端接入一个用线圈和电容器并联的谐振回路。谐振回路本身有产生振荡电流的趋势,但谐振回路里有电阻,需要消耗电能,而脉冲屏流所回授的电能恰好可以补偿这种耗损,因此振荡就在谐振回路里产生,而且振荡频率基本上是由谐振回路的电感量L和电容量C来决定的。没有谐振回路的振荡器,振荡频率的决定基本主要根据一些制作经验。

由于用谐振回路的振荡器振荡比较稳定,振荡的波形好,频率又比较容易预计,所以实际上即使是弱振荡也多加用谐振回路。

图9
图9 🔍原图 (851×453)

各种振荡必须靠输出对输入端的回授作用来产生,但并不是一有这种回授就必定产生振荡。有时回授可能不够维持振荡,有时回授的电压方向可能不对,无论回授多大也照样不起振荡。拿些现成的电子管振荡回路来分析,就会发现它们的栅极和屏极对阴极的电压是相反的。一个电压到最大的正值,另一个必定同时到最大负值。因为一般电子管屏极的交流电压和电流的变化是相反的(因为屏流愈大,在屏极输出回路里的电压降也愈大,所以屏极电压反愈小),只有当栅压和屏压的变化也相反时,才恰好能符合屏极电流的大小是随着栅极电压的高低而变化的必然现象,全部振荡回路电的动荡才调合,振荡才能产生。所以有些时候,我们把线路接反或接错了,得不到这样的关系,使不产生振荡。(沈肇熙)