Oscylator Dynatron - Dynatron oscillator

Lampowy generator sygnału Dynatron , 1931. Obejmował zakres od 1,8 do 15 MHz. Obwód był używany w generatorach sygnałów ze względu na stabilność częstotliwości, którą porównano z oscylatorami kwarcowymi

Obwód oscylatora dynatronowego był również używany jako lokalny oscylator we wczesnych odbiornikach radiowych superheterodynowych lamp próżniowych , takich jak siedmio-lampowe radio Crosley model 122 z 1931 roku.

W elektronice oscylator dynatron , wynaleziony w 1918 roku przez Alberta Hulla z General Electric , jest przestarzałym obwodem oscylatora elektronicznego z lampą próżniową , który wykorzystuje ujemną charakterystykę rezystancji we wczesnych lampach tetrodowych , spowodowaną procesem zwanym emisją wtórną . Był to pierwszy oscylator lampowy o ujemnej rezystancji. Obwód oscylatora dynatron był używany w ograniczonym zakresie jako oscylatory częstotliwości uderzeń (BFO) i lokalne oscylatory w odbiornikach radiowych z lampą próżniową , a także w sprzęcie naukowym i testowym od lat dwudziestych do czterdziestych XX wieku, ale stał się przestarzały w okresie II wojny światowej z powodu zmienność emisji wtórnej w lampach.

Ujemne oscylatory transkonduktancyjne , takie jak oscylator tranzytronowy wynaleziony przez Cleto Brunettiego w 1939 roku, są podobnymi obwodami oscylatora lampowego o ujemnej rezystancji, które są oparte na ujemnej transkonduktancji (spadek prądu przez jedną elektrodę siatki spowodowany wzrostem napięcia na drugiej siatce) w pentodzie lub innej wieloskładnikowej lampie próżniowej. Zastąpiły one obwód dynatronu i były stosowane w elektronicznym sprzęcie lampowym w latach siedemdziesiątych XX wieku.

Jak oni pracują

Lampa Dynatron, pierwsza lampa wytwarzająca oscylacje dynatronowe, wynaleziona przez Alberta Hulla w 1918 r. Nie była używana, ponieważ trioda i tetroda , wynalezione w 1926 r., Również okazały się zdolne do oscylacji dynatronowych.

Oscylatory dynatron i transitron różnią się od wielu obwodów oscylatorów tym, że nie wykorzystują sprzężenia zwrotnego do generowania oscylacji, ale opór ujemny . Dostrojony obwód (obwód rezonansowy), składający się z cewki i kondensatora połączonych ze sobą, można przechowywać energię w postaci prądu oscylatora „dzwonienia” analogicznie do widełek. Gdyby dostrojony obwód mógł mieć zerowy opór elektryczny , po rozpoczęciu oscylacji działałby jako oscylator , wytwarzając ciągłą falę sinusoidalną . Jednak ze względu na nieunikniony opór właściwy dla rzeczywistych obwodów, bez zewnętrznego źródła energii energia oscylującego prądu jest rozpraszana w postaci ciepła w oporze, a wszelkie oscylacje zanikają do zera.

W obwodach dynatron i transitron rura próżniowa jest spolaryzowana tak, że jedna z jej elektrod ma ujemną rezystancję różnicową . Oznacza to, że gdy napięcie na elektrodzie w stosunku do katody wzrasta, prąd przez nią przepływa maleje. Strojony obwód jest podłączony między elektrodą a katodą. Ujemna rezystancja lampy znosi dodatnią rezystancję dostrojonego obwodu, tworząc w efekcie obwód dostrojony o zerowej rezystancji prądu przemiennego. Generowane jest spontaniczne, ciągłe, sinusoidalne napięcie oscylacyjne o częstotliwości rezonansowej dostrojonego obwodu, zapoczątkowane przez szum elektryczny w obwodzie, gdy jest on włączony.

Zaletą tych oscylatorów było to, że ujemny efekt rezystancji był w dużej mierze niezależny od częstotliwości, więc przy zastosowaniu odpowiednich wartości indukcyjności i pojemności w strojonym obwodzie mogły one pracować w szerokim zakresie częstotliwości, od kilku herców do około 20 MHz. Kolejną zaletą było to, że użyli prostego, pojedynczego obwodu strojonego LC bez odczepów lub cewek „drażniących” wymaganych przez oscylatory, takie jak obwody Hartleya lub Armstronga .

Oscylator Dynatron

Obwód oscylatora Dynatron

W dynatron tetroda stosuje się rury. W niektórych tetrrodach płytka (anoda) ma ujemną rezystancję różnicową, z powodu wybicia elektronów z płytki, gdy elektrony z katody uderzają w nią, co nazywa się emisją wtórną . Powoduje to „załamanie” w dół krzywej prądu płyty względem napięcia płyty (wykres poniżej, obszar szary), gdy siatka ekranu jest obciążona wyższym napięciem niż płyta, jak opisano poniżej. Ten negatywny opór był głównie cechą starszych lamp z lat czterdziestych lub wcześniejszych. W większości nowoczesnych tetrod, aby zapobiec oscylacjom pasożytniczym, płytce nakładana jest powłoka, która drastycznie zmniejsza niepożądaną emisję wtórną, więc lampy te praktycznie nie mają ujemnego oporu "załamania" w charakterystyce prądu płyty i nie mogą być stosowane w oscylatorach dynatronowych.

Tetroda nie była jedyną lampą, która mogła generować oscylacje dynatronowe. Wczesne triody miały również wtórną emisję, a tym samym ujemną rezystancję, i zanim wynaleziono tetrodę, były używane w oscylatorach dynatronowych przez polaryzację siatki sterującej bardziej dodatnią niż płytka. Pierwszy oscylator dynatronowy Hulla w 1918 r. Wykorzystywał specjalną lampę próżniową „dynatron” jego własnej konstrukcji (pokazaną powyżej) , triodę, w której kratka była ciężką płytą perforowaną z otworami, która była wystarczająco wytrzymała, aby przenosić wysokie prądy. Ta lampa nie była używana jako standardowa trioda, a tetrody mogły działać odpowiednio jako dynatrony. Termin „dynatron” zaczął być stosowany do wszystkich ujemnych oscylacji rezystancji w lampach próżniowych; na przykład stwierdzono, że magnetron z dzieloną anodą działa na zasadzie „oscylacji dynatronowej”.

Zaletą obwodu dynatronowego było to, że mógł on oscylować w bardzo szerokim zakresie częstotliwości; od kilku herców do 20 MHz. Miał również bardzo dobrą stabilność częstotliwości w porównaniu z innymi oscylatorami LC z tamtych czasów, a nawet był porównywany do oscylatorów kwarcowych . Obwód stał się popularny po pojawieniu się tanich lamp tetrodowych, takich jak UY222 i UY224, około 1928 roku. Był używany w oscylatorach częstotliwości uderzeń (BFO) do odbioru kodu i lokalnych oscylatorów w odbiornikach superheterodynowych , a także w generatorach sygnałów laboratoryjnych i badaniach naukowych. Prototypowy telewizor RCA z 1931 roku wykorzystywał dwie lampy UY224 jako oscylatory dynatronowe do generowania sygnałów odchylenia pionowego (28 Hz) i odchylenia poziomego (2880 Hz) dla cewek odchylających CRT.

Jednak dynatron miał pewne wady. Stwierdzono, że ilość wtórnego prądu emisji z płyty zmieniała się w nieprzewidywalny sposób w zależności od rury, a także w obrębie pojedynczej rury w okresie jej eksploatacji; w końcu przestanie oscylować. Podczas wymiany lampy może być konieczne znalezienie takiej, która będzie oscylować w obwodzie. Ponadto, ponieważ oscylacje dynatronowe były źródłem niestabilności we wzmacniaczach, głównym zastosowaniu tetrody, producenci lamp zaczęli nakładać na płytkę powłokę grafitową, która praktycznie wyeliminowała emisję wtórną. Do 1945 roku wykorzystanie obwodu dynatronowego malało.

Emisja wtórna

Prąd płyty I _P i prąd siatki ekranu I _G2 vs napięcie płyty V _P krzywe tetrody RCA UY224, które ukazały się w 1929 roku, pokazując ujemny obszar oporu (szary) .
 Potencjał siatki ekranu V _G2 = 75 V
 Potencjał sieci kontrolnej V _G2 = −1,5 V
W tej rurze wtórna emisja była na tyle silna, że ​​nie tylko powodowała ujemny opór (opadające zbocze), ale także odwracała prąd płyty; więcej elektronów opuściło płytkę, niż do niej dotarło.

Prąd płyty ( I _b ) vs krzywe napięcia płyty dla tetrod:

Wczesna tetroda, RCA 24-A z 1929 roku, wykazująca po lewej stronie ujemny opór „załamuje się” na krzywych z powodu wtórnej emisji. Przy napięciu ekranu V _C2 wynoszącym 90 V ma ujemną rezystancję między około V _p  = 10 do 60 V.

Nowoczesna tetroda 6P25. Dzięki powłoce na płycie występuje bardzo mała emisja wtórna, więc praktycznie nie ma obszaru ujemnego oporu („załamania”) na krzywych, co sprawia, że ​​ta rura nie nadaje się do pracy na dynatronie.

W lampie elektronowej, kiedy elektrony emitowane przez katodę uderzają w płytkę , mogą wybić inne elektrony z powierzchni metalu, co jest efektem nazywanym emisją wtórną . W normalnym wzmacniaczu tetrodowym jest to niepożądany efekt, a siatka ekranu obok płytki jest obciążona przy niższym potencjale niż płyta, więc te wtórne elektrony są odpychane i wracają do płytki ze względu na jej dodatni ładunek.

Jeśli jednak siatka ekranująca działa z wyższym potencjałem niż płytka, elektrony wtórne zostaną do niej przyciągnięte i powrócą do ziemi przez zasilanie siatki ekranu. Reprezentuje prąd elektronów I _G2 z dala od płytki, co zmniejsza prąd netto płyty I _P poniżej prądu katody I _C

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

Wyższe napięcie płytki powoduje, że elektrony pierwotne uderzają w płytkę z większą energią, uwalniając więcej elektronów wtórnych. Dlatego zaczynając od napięcia, przy którym elektrony pierwotne mają wystarczającą energię, aby spowodować emisję wtórną, około V _P  = 10 V, istnieje obszar roboczy (szary), w którym wzrost napięcia płyty powoduje, że więcej elektronów opuszcza płytkę niż dodatkowa elektrony docierające do płyty, a tym samym zmniejszenie netto prądu płyty.

Ujemny opór

Ponieważ w tym obszarze wzrost napięcia płyty powoduje spadek prądu płyty, rezystancja płyty AC, czyli różnicowa rezystancja wyjściowa lampy, jest ujemna:

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

Podobnie jak w przypadku innych urządzeń o ujemnej rezystancji różnicowej , takich jak dioda tunelowa , ten ujemny opór można wykorzystać do stworzenia oscylatora. Równoległy obwód dostrojony jest podłączony w obwodzie płytkowym tetrody. Obwód będzie oscylował, jeśli wielkość ujemnej rezystancji płyty jest mniejsza niż równoległa rezystancja R dostrojonego obwodu, włączając jakiekolwiek obciążenie podłączone do oscylatora.

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

Częstotliwość oscylacji jest zbliżona do częstotliwości rezonansowej strojonego obwodu.

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

Projekt

Jak widać na wykresach, dla pracy dynatronowej siatka ekranu musiała być obciążona przy znacznie wyższym napięciu niż płyta; co najmniej dwukrotność napięcia na płycie. Wahania napięcia płyty są ograniczone do obszaru ujemnej rezystancji krzywej, „załamania” w dół, tak więc aby osiągnąć największe wahania napięcia wyjściowego, lampa powinna być polaryzowana w środku obszaru ujemnego oporu.

Ujemna rezystancja starszych lamp tetrodowych wynosiła około 10 kΩ - 20 kΩ i może być kontrolowana przez zmianę polaryzacji siatki kontrolnej . Jeśli wielkość ujemnego oporu | r _P | jest wystarczająco mały, aby rozpocząć oscylację, tylko trochę mniejszy niż dodatnia rezystancja R strojonego obwodu, częstotliwość oscylacji będzie bardzo stabilna, a przebieg wyjściowy będzie prawie sinusoidalny. Jeśli rezystancja ujemna jest znacznie mniejsza niż rezystancja dodatnia, wahania napięcia rozciągną się na nieliniową część krzywej, a szczyty wyjściowej fali sinusoidalnej zostaną spłaszczone („obcięte”).

Oscylator Transitron

Oscylator Transitron

Prąd i napięcie ekranu w oscylatorze Transitron. Gdy napięcie ekranu V _C2 staje się na tyle wysokie, że napięcie siatki tłumiącej staje się dodatnie, elektrony zaczynają przechodzić przez siatkę tłumiącą, aby dotrzeć do płytki. Prąd płyty wzrasta, a prąd ekranu maleje, dając ujemną rezystancję ekranu (szary obszar) .

Oscylator tranzytowy, wynaleziony przez Cledo Brunettiego w 1939 r. (Chociaż podobny efekt zaobserwowano w tetrodach Balthasara van der Pol w 1926 r., A Edward Herold opisał podobny oscylator w 1935 r.) Jest obwodem oscylatora o ujemnej rezystancji wykorzystującym lampę pentodową , w którym zamiast płyty siatka ekranująca ma ujemną rezystancję dzięki sprzężeniu z siatką tłumiącą . Zobacz obwód po prawej stronie. W tranzytronie siatka ekranu jest spolaryzowana przy dodatnim napięciu (bateria B1) powyżej napięcia płyty, podczas gdy siatka tłumiąca jest polaryzowana ujemnie (bateria B2) , przy lub poniżej napięcia katody. Dlatego wszystkie elektrony zostaną odbite przez ujemną siatkę tłumiącą i żaden nie przejdzie do płytki. Zamiast tego odbijane elektrony będą przyciągane do siatki ekranu, więc prąd ekranu będzie wysoki, podczas gdy prąd płytki będzie wynosił zero. Jeśli jednak napięcie siatki tłumiącej wzrośnie, gdy zbliża się do zera (napięcie katodowe), elektrony zaczną przez nie przechodzić i docierać do płytki, więc liczba przekierowana do siatki ekranu, a tym samym prąd ekranu, zmniejszy się. Ponieważ inne siatki nie pobierają znacznego prądu, prąd katodowy jest dzielony między płytkę a siatkę ekranu : ${\ displaystyle \ scriptstyle I _ {\ text {C}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle I _ {\ text {P}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle I _ {\ text {G2}}}$

${\ displaystyle ja _ {\ text {G2}} = ja _ {\ tekst {C}} - ja _ {\ tekst {P}} \,}$

Podział prądu między siatkę ekranu i płytę jest kontrolowany przez napięcie tłumiące. Ta odwrotna zależność jest wskazywana przez stwierdzenie, że transkonduktancja między ekranem a siatką tłumiącą (zmiana prądu ekranu Δ I _G2 podzielona przez zmianę napięcia tłumika Δ V _G3 ) jest ujemna.

Ponieważ napięcie siatki tłumiącej, a nie napięcie siatki ekranu, steruje prądem ekranu, jeśli tłumik i siatka ekranu są połączone razem z kondensatorem ( C2 ), więc istnieje między nimi stała różnica potencjałów, zwiększenie napięcia siatki ekranu spowoduje zwiększenie tłumika napięcie, powodując spadek prądu ekranu. Oznacza to, że siatka ekranująca ma ujemną rezystancję różnicową w stosunku do katody i może być używana do tworzenia oscylacji.

W obwodzie tranzytronowym, ekran i siatki tłumiące są połączone z kondensatorem obejściowym ( C2 ), który ma niską impedancję przy częstotliwości oscylacji, dzięki czemu mają stałą różnicę potencjałów. Równoległy obwód strojony ( C1-L ) jest podłączony między siatką ekranu a katodą (przez akumulator B1 ). Ujemna rezystancja siatki ekranu znosi dodatnią rezystancję dostrojonego obwodu, powodując oscylacje. Podobnie jak w oscylatorze dynatron, siatka kontrolna może być używana do regulacji ujemnej rezystancji.

Ponieważ oscylator tranzytowy nie był zależny od emisji wtórnej, był znacznie bardziej niezawodny niż dynatron. Jednakże, ponieważ siatka ekranu nie jest zaprojektowana do obsługi dużej mocy, moc wyjściowa oscylatora jest ograniczona. Inne lampy z wieloma siatkami poza pentodą, takie jak heksodowa i pentagridowa rura konwertera , zostały użyte do wykonania podobnych ujemnych oscylatorów transkonduktancyjnych. Zastosowane w tym obwodzie lampy Pentode mają ujemną transkonduktancję wynoszącą tylko około -250 mikrosimensów, co daje ujemną rezystancję na poziomie -4000 Ω. Rury z większą liczbą siatek, takie jak konwerter pentagridowy , mogą być używane do wytwarzania oscylatorów Transcondron o wyższej transkonduktancji, co skutkuje mniejszą ujemną rezystancją.

Bibliografia