Генератор Dynatron - Dynatron oscillator

Электронная лампа Dynatron генератор сигналов, 1931. Охватывает диапазон от 1,8 до 15 МГц. Схема использовалась в генераторах сигналов из-за стабильности частоты, которую сравнивали с кварцевыми генераторами.

Схема генератора динатрона также использовалась в качестве гетеродин в ранней вакуумной лампе супергетеродинный радиоприемники, например, семиламповый радиоприемник Crosley model 122 1931 года.

В электронике динатронный генератор, изобретенный в 1918 г. Альберт Халл^[1][2] в General Electric, является устаревшим вакуумная труба электронный генератор схема, которая использует отрицательное сопротивление характеристика в начале тетрод вакуумные лампы, вызванные процессом, называемым вторичная эмиссия.^[3][4][5][6] Это был первый ламповый генератор с отрицательным сопротивлением.^[7] Схема генератора динатрона использовалась ограниченно, поскольку генераторы частоты биений (BFOs), и гетеродин в вакуумной трубке радиоприемники а также в научном и испытательном оборудовании с 1920-х по 1940-е годы, но стало устаревшим во время Второй мировой войны из-за изменчивости вторичной эмиссии в трубках.^{[8][9][10][11]}

Осцилляторы с отрицательной крутизной,^[8] такой как транзиторный генератор изобретен Клето Брунетти в 1939 году,^[12][13] похожи на схемы генератора на вакуумных лампах с отрицательным сопротивлением, которые основаны на отрицательном сопротивлении. крутизна (падение тока через один сеточный электрод, вызванное увеличением напряжения на второй сетке) в пентод или другая многосеточная вакуумная лампа.^[5][14] Они заменили схему динатрона^[14] и использовались в электронном оборудовании на электронных лампах в течение 1970-х годов.^[8][10][11]

Как они работают

Лампа Dynatron, первая лампа, производящая динатронные колебания, изобретена Альбертом Халлом в 1918 году.^[2] Он мало пригодился, так как триод и тетрод изобретенный в 1926 году, также оказался способным к динатронным колебаниям.

Генераторы динатрона и транзитрона отличаются от многих схем генераторов тем, что в них не используются Обратная связь генерировать колебания, но отрицательное сопротивление.^[4][6] А настроенная схема (резонансный контур), состоящий из индуктор и конденсатор соединенные вместе, могут накапливать электрическую энергию в виде колебательных токов, «звенящих» аналогично камертону.^[15] Если бы настроенная схема могла иметь ноль электрическое сопротивление, как только начнутся колебания, он будет функционировать как осциллятор, производя непрерывный синусоидальная волна. Но из-за неизбежного сопротивления, присущего реальным схемам, без внешнего источника энергии энергия колебательного тока рассеивается в виде тепла в сопротивлении, и любые колебания затухают до нуля.^[15]

В схемах динатрона и транзитрона вакуумная лампа пристрастный так что один из его электродов отрицательное дифференциальное сопротивление.^[4][6] Это означает, что когда напряжение на электроде по отношению к катоду увеличивается, ток через него уменьшается.^[4] Настроенная схема включена между электродом и катодом. Отрицательное сопротивление трубки нейтрализует положительное сопротивление настроенной цепи, создавая, по сути, настроенную цепь с нулевым сопротивлением переменному току.^[6][15] Спонтанный непрерывный синусоидальный колебательное напряжение на резонансная частота настроенной схемы генерируется, запускается электрический шум в цепи при включении.^[15]

Преимущество этих генераторов состояло в том, что эффект отрицательного сопротивления в значительной степени не зависел от частоты, поэтому при использовании подходящих значений индуктивность и емкость в настроенной схеме они могли работать в широком диапазоне частот, от нескольких герц до примерно 20 МГц.^[6][8][9] Еще одним преимуществом было то, что они использовали простую одиночную настроенную схему LC без отводов или «тиклерных» катушек, необходимых для генераторов, таких как Хартли или же Армстронг схемы.^[16]

Генератор Dynatron

Схема генератора Dynatron

В динатроне а тетрод трубка используется.^[4] В некоторых тетродах пластина (анод) имеет отрицательное дифференциальное сопротивление из-за того, что электроны выбиваются из пластины, когда электроны с катода сталкиваются с ней, называемое вторичная эмиссия.^[4][5] Это вызывает нисходящий «изгиб» кривой зависимости тока пластины от напряжения пластины. (график ниже, серая область) когда сетка экрана смещена при более высоком напряжении, чем пластина, как описано ниже. Это отрицательное сопротивление было в основном особенностью старых ламп 1940-х годов или более раннего выпуска.^[4] В большинстве современных тетродов для предотвращения паразитные колебания на пластину нанесено покрытие, которое резко снижает нежелательную вторичную эмиссию, поэтому эти лампы практически не имеют отрицательного сопротивления «изгиб» в их токовой характеристике пластины и не могут использоваться в генераторах динатрона.^[4]

Тетрод был не единственной лампой, которая могла генерировать динатронные колебания. Рано триоды также имели вторичную эмиссию и, следовательно, отрицательное сопротивление, и до того, как был изобретен тетрод, они использовались в генераторах динатрона путем смещения сетка управления позитивнее, чем тарелка.^[1][17] В первом генераторе динатрона Халла в 1918 году использовалась специальная электронная лампа "динатрон" его собственной конструкции. (показано выше), триод, в котором сетка представляла собой тяжелую пластину с отверстиями, которая была достаточно прочной, чтобы выдерживать высокие токи.^[2] Эта лампа не использовалась в качестве стандартного триода, а тетроды вполне могли функционировать как динатроны. Термин «динатрон» стал применяться ко всем колебаниям отрицательного сопротивления в электронных лампах; например магнетрон с расщепленным анодом было сказано, что работает "колебание динатрона".

Преимущество схемы динатрона состояло в том, что она могла колебаться в очень широком диапазоне частот; от нескольких герц до 20 МГц.^[6][8][9] Он также имел очень хорошую стабильность частоты по сравнению с другими LC-генераторами того времени и даже сравнивался с кварцевые генераторы. Схема стала популярной после появления дешевых тетродных ламп, таких как UY222 и UY224, примерно в 1928 году.^[9][16] Он использовался в генераторы частоты биений (BFOs) для приема кода и гетеродин в супергетеродинный приемники^[16] а также в лаборатории генераторы сигналов и научные исследования. Прототип RCA 1931 года телевидение использовали две лампы UY224 в качестве генераторов динатрона для генерации сигналов вертикального отклонения (28 Гц) и горизонтального отклонения (2880 Гц) для отклоняющих катушек ЭЛТ.

Однако у динатрона были и недостатки. Было обнаружено, что величина вторичного эмиссионного тока от пластины непредсказуемо изменялась от трубки к трубке, а также в пределах одной трубки в течение срока ее службы;^[18][19] в конце концов он перестанет колебаться. При замене лампы, возможно, придется попробовать несколько, чтобы найти ту, которая будет колебаться в цепи. Кроме того, поскольку динатронные колебания были источником нестабильности усилителей, основного применения тетрода, производители ламп начали применять графит покрытие пластины, которое практически исключило вторичную эмиссию.^[4] К 1945 году использование схемы динатрона сокращалось.^[10][11][19]

Вторичная эмиссия

Пластинчатый ток я_п и экран сетки тока я_G2 против напряжения пластины V_п кривые тетрода RCA UY224, выпущенного в 1929 году, демонстрирующие область отрицательного сопротивления (серый).
Потенциал сетки экрана V_G2 = 75 В
Потенциал управляющей сети V_G2 = −1,5 В
В этой лампе вторичная эмиссия была достаточно сильной, чтобы вызвать не только отрицательное сопротивление (понижающийся наклон), но и обратить ток пластины; электронов покинуло пластину больше, чем пришло к ней.

Пластинчатый ток (я_б) от напряжения на пластине для тетродов:

Один из первых тетродов, RCA 24-A 1929 года выпуска, на левой стороне которого изображен излом отрицательного сопротивления на кривых из-за вторичной эмиссии. При напряжении экрана V_C2 от 90 В он имеет отрицательное сопротивление примерно V_п = От 10 до 60 В.

Современный тетрод 6П25. Из-за покрытия на пластине вторичная эмиссия очень мала, поэтому на кривых практически нет области отрицательного сопротивления («перегиба»), что делает эту лампу непригодной для работы динатрона.

В электронной лампе, когда электроны выпущенный катод ударить пластина, они могут выбивать другие электроны с поверхности металла, эффект, называемый вторичная эмиссия.^[4][5][18] В обычном тетродном усилителе это нежелательный эффект, и сетка экрана рядом с пластиной смещен с более низким потенциалом, чем пластина, поэтому эти вторичные электроны отталкиваются и возвращаются к пластине за счет ее положительного заряда.

Однако, если сетка экрана работает при более высоком потенциале, чем пластина, вторичные электроны будут притягиваться к ней и возвращаться на землю через питание сетки экрана.^[4] Это представляет собой ток электронов я_G2 прочь от пластины, что снижает чистый ток пластины я_п ниже катодного тока я_C

${\displaystyle I_{P}=I_{C}-I_{G2}\,}$

Более высокое напряжение пластины заставляет первичные электроны ударять по пластине с большей энергией, высвобождая больше вторичных электронов. Следовательно, начиная с напряжения, при котором первичные электроны имеют достаточно энергии, чтобы вызвать вторичную эмиссию, примерно V_п = 10В, есть рабочий регион (серый) в котором увеличение напряжения на пластине заставляет больше электронов покидать пластину, чем дополнительных электронов, поступающих на пластину, и, следовательно, чистое уменьшение тока пластины.

Отрицательное сопротивление

Поскольку в этой области повышение напряжения на пластине вызывает уменьшение тока пластины, сопротивление пластины переменного тока, то есть дифференциальное выходное сопротивление лампы, отрицательно:

${\displaystyle r_{P}={\Delta V_{P} \over \Delta I_{P}}<0\,}$

Как и в случае с другими отрицательное дифференциальное сопротивление устройства, подобные туннельный диод, это отрицательное сопротивление можно использовать для создания осциллятора. Параллельно настроенная цепь включена в пластинчатую цепь тетрода. Схема будет колебаться, если величина отрицательного сопротивления пластины меньше параллельного сопротивления. р настроенного контура, включая любую нагрузку, подключенную к генератору.

${\displaystyle |r_{P}|<R\,}$

Частота колебаний близка к резонансная частота настроенной схемы.

${\displaystyle f={1 \over 2\pi }{\sqrt {1 \over LC}}\,}$

Дизайн

Как видно из графиков, для работы динатрона сетка экрана должна была быть смещена на значительно большее напряжение, чем пластина; как минимум в два раза больше напряжения на пластине. Колебание напряжения на пластине ограничено областью отрицательного сопротивления кривой, нисходящим «изгибом», поэтому для достижения наибольшего колебания выходного напряжения трубка должна быть смещена в центре области отрицательного сопротивления.

Отрицательное сопротивление старых тетродных трубок составляло от 10 кОм до 20 кОм, и его можно контролировать, изменяя сетка управления предвзятость. Если величина отрицательного сопротивления |р_п| достаточно мал, чтобы начать колебание, чуть меньше положительного сопротивления р настроенного контура частота колебаний будет очень стабильной, а форма выходного сигнала будет почти синусоидальной. Если отрицательное сопротивление сделать значительно меньше положительного, размах напряжения будет распространяться на нелинейную часть кривой, а пики выходного синусоидального сигнала будут сглажены («ограничены»).

Генератор Transitron

Генератор Transitron

Ток и напряжение экрана в транзитронном генераторе. Как напряжение экрана V_C2 становится достаточно высоким, чтобы напряжение решетки подавителя становилось положительным, электроны начинают проходить через сетку подавителя, чтобы достичь пластины. Ток пластины увеличивается, а ток экрана уменьшается, создавая отрицательное сопротивление экрана. (серая область).

Генератор транзитрона, изобретенный Кледо Брунетти в 1939 году,^[12] (хотя аналогичный эффект наблюдался в тетродах по Бальтазар ван дер Поль в 1926 г.,^[20] и Эдвард Герольд описали аналогичный генератор в 1935 году.^[21]) это отрицательное сопротивление схема генератора с использованием пентод вакуумная трубка, в которой вместо пластины сетка экрана имеет отрицательное сопротивление из-за соединения с глушитель сетки.^[5][14][18] См. Схему справа. В транзитере сетка экрана смещен при положительном напряжении (аккумулятор B1) выше напряжения пластины, в то время как глушитель сетки предвзято отрицательно (аккумулятор B2), равном или ниже катодного напряжения. Таким образом, все электроны будут отражены сеткой отрицательного подавителя, и ни один из них не пройдет через пластину. Вместо этого отраженные электроны будут притягиваться к сетке экрана, поэтому ток экрана будет высоким, а ток пластины будет нулевым. Однако, если напряжение решетки ограничителя увеличивается, когда оно приближается к нулю (напряжение на катоде), электроны начнут проходить через него и достигать пластины, поэтому количество, перенаправленное на сетку экрана, и, следовательно, ток экрана уменьшится. Поскольку другие сети не потребляют значительный ток, катодный ток ${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{C}}}$ разделен между пластиной ${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{P}}}$ и сетка экрана ${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{G2}}}$:

${\displaystyle I_{\text{G2}}=I_{\text{C}}-I_{\text{P}}\,}$

Разделение тока между сеткой экрана и пластиной регулируется напряжением ограничителя. На эту обратную зависимость указывает крутизна между экраном и глушителем (изменение тока экрана Δя_G2 деленное на изменение напряжения ограничителя ΔV_G3) отрицательный.

Поскольку напряжение сети подавителя, а не напряжение сетки экрана, управляет током экрана, если подавитель и сетка экрана соединены вместе с конденсатором (C2), поэтому между ними существует постоянная разность потенциалов, увеличение напряжения экранной сетки приведет к увеличению напряжения ограничителя, что приведет к уменьшению экранного тока. Это означает, что сетка экрана отрицательное дифференциальное сопротивление относительно катода и может использоваться для создания колебаний.

В схеме транзитрона экран и решетки ограничителя соединены шунтирующим конденсатором (C2), который имеет низкий импеданс на частоте колебаний, поэтому они имеют постоянную разность потенциалов. Параллельно настроенная схема (C1-L) подключается между сеткой экрана и катодом (через батарею B1). Отрицательное сопротивление экранной сетки нейтрализует положительное сопротивление настроенного контура, вызывая колебания. Как и в генераторе динатрона, управляющая сетка может использоваться для регулировки отрицательного сопротивления.

Поскольку генератор транзитрона не зависел от вторичной эмиссии, он был намного надежнее динатрона. Однако, поскольку сетка экрана не предназначена для работы с высокой мощностью, выходная мощность генератора ограничена. Другие трубки с несколькими решетками рядом с пентодом, например гексод и пентагридный преобразователь трубки, были использованы для создания подобных генераторов отрицательной крутизны. Пентодные лампы, используемые в этой схеме, имеют отрицательную крутизну только около -250 микросименс, что дает отрицательное сопротивление -4000 Ом. Трубки с большим количеством сеток, например пентагридный преобразователь, можно использовать для создания транзитных генераторов с более высокой крутизной, что приводит к меньшему отрицательному сопротивлению.

Рекомендации

1. Кренке, Х. (24 марта 1926 г.). «Колебание без реакции» (PDF). Беспроводной мир. Лондон. 18 (12): 467–468. Получено 20 марта, 2015.
2. Халл, Альберт В. (февраль 1918 г.). «Dynatron - электронная лампа с отрицательным электрическим сопротивлением». Труды IRE. Нью-Йорк: Институт радиоинженеров. 6 (1): 5–35. Дои:10.1109 / jrproc.1918.217353. S2CID  51656451. Получено 2012-05-06.
3. Amos, S.W .; Роджер Амос (2002). Словарь Newnes по электронике. Newnes. п. 107. ISBN  978-0080524054.
4. Готтлиб, Ирвинг (1997). Практическое руководство по осцилляторам. США: Эльзевир. С. 76–78. ISBN  978-0080539386.
5. Эдсон, Уильям А. (1953). Генераторы с вакуумной трубкой (PDF). США: Джон Уайли и сыновья. С. 31–34. на Питера Миллета Tubebooks интернет сайт
6. Техническое руководство TM 11-665: Радиопередатчики и приемники C-W и A-M. Департамент армии, Типография правительства США. Сентябрь 1952. С. 68–69.
7. Кумар, Умеш (апрель 2000 г.). «Разработка оригинального измерителя кривой отрицательных характеристик сопротивления» (PDF). Активные и пассивные электронные компоненты. 23: 13–23. Дои:10.1155 / APEC.23.13. Получено 3 мая, 2013.
8. Дитмар, Рудольф (17 декабря 2010 г.). "Осцилляторы отрицательного сопротивления". Принципы схемы форума. Персональный сайт Эрнеста Эрба. Получено 29 ноябрь 2013.
9. Уортен, Чарльз Э. (май 1930). "Динатрон" (PDF). Главный радиоэкспериментатор. General Radio Co. 4 (12): 1–4. Получено 5 сентября, 2014.
10. Шунаман, Фред (апрель 1945 г.). «Транзитронные генераторы» (PDF). Радио-Крафт. Нью-Йорк: Radcraft Publication Inc. 16 (7): 419. Получено 6 сентября, 2014.
11. Палмер, К. У. (март 1940). «Последние достижения в схемах генераторов» (PDF). Радио-Крафт. Нью-Йорк: Radcraft Publications, Inc. 11 (9): 534–535. Получено 6 сентября, 2014.
12. Brunetti, C .; Э. Вайс (февраль 1939 г.). «Транзитронный осциллятор». Труды IRE. Институт Радиоинженеров. 27 (2): 88–94. Дои:10.1109 / JRPROC.1939.229010. ISSN  0096-8390. S2CID  51644322.
13. Брунетти, Клето (декабрь 1939 г.). «Практический отрицательный осциллятор сопротивления». Обзор научных инструментов. 10 (3): 85–88. Bibcode:1939RScI ... 10 ... 85Б. Дои:10.1063/1.1751492.
14. Готтлиб, 1997, Практическое руководство по осцилляторам, п. 78-81
15. Солимар, Ласло; Дональд Уолш (2009). Электрические свойства материалов, 8-е изд.. Великобритания: Издательство Оксфордского университета. С. 181–182. ISBN  978-0199565917.
16. Брунн, Брунстен (15 августа 1931 г.). "Dynatron Oscillator Useses" (PDF). Радио Мир. 19 (22): 15. Получено 5 сентября, 2014.
17. Тернер, Л. Б. (1931). Беспроводной. Издательство Кембриджского университета. п. 297. ISBN  9781107636187.
18. Спангенберг, Карл Р. (1948). Вакуумные трубки (PDF). Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Co., стр. 718–719.
19. Гирарди, Альфред А. (май 1945 г.). «Практический курс радио, часть 34» (PDF). Радио Новости. 43 (5): 148–150. Получено 5 сентября, 2014.
20. Барабанщик, G.W.A (1997). Электронные изобретения и открытия: электроника от зарождения до наших дней, 4-е изд.. CRC Press. п. 126. ISBN  978-0750304931.
21. Герольд, Эдвард В. (октябрь 1935 г.). «Отрицательное сопротивление и способы его получения». Труды IRE. 23 (10): 1201–1223. Дои:10.1109 / JRPROC.1935.227271. ISSN  0731-5996. S2CID  51656745.