Kvant. Высокочастотный генератор

Цыпин М. Высокочастотный генератор //Квант. — 1989. — № 12. — С. 42-45.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

О многих физических явлениях мы слышим или читаем в книгах, но почти никогда их не видим. Между тем ничто так не помогает пониманию физического мира, в котором мы живем, как непосредственный опыт общения с ним. Поставленный своими руками эксперимент, увиденное и исследованное явление, размышления по поводу того, что действительно происходит в природе, — все это обычно оказывается разнообразнее и сложнее написанного в книгах.

В этой статье будет описан генератор высокочастотных колебаний, который можно сделать самостоятельно в школе или дома. Генератор позволяет поставить много интересных опытов, связанных с электрическими разрядами, познакомиться со свойствами переменного тока и электромагнитного поля.

Рис. 1

Генератор, схема которого приведена на рисунке 1, создает высокое напряжение (3-4 тысячи вольт) высокой частоты (около 5 МГц). Колебательный контур, определяющий частоту генератора, состоит из катушки L₁ и конденсатора C₁ (емкости конденсаторов указаны в пикофарадах). Поддержание в нем незатухающих колебаний обеспечивается с помощью дополнительной катушки L₂ и усилителя, собранного на лампе Л₁: часть энергии контура забирается этой катушкой, подается на сетку лампы, усиливается и через конденсатор C₂ подается обратно в контур. Цепочка R₁C₃ обеспечивает (подумайте, как) отрицательное постоянное напряжение на сетке лампы, необходимое для ее нормальной работы. Еще одна катушка — из-за ее роли в схеме называемая по радиотехнической традиции дросселем (Др) — разделяет участки цепи, где высокочастотное напряжение есть (анод лампы) и где его нет («плюс» источника питания). Это происходит благодаря большому сопротивлению дросселя переменному току высокой частоты. Вторая сетка лампы соединена с анодом, в результате лампа работает как триод. Катушки L₁, L₂ и L₃ индуктивно связаны друг с другом и образуют высокочастотный трансформатор.

Было бы ошибкой думать, что собрать такой генератор и заставить его работать под силу только многоопытному экспериментатору. Генератор практически не требует настройки, а нужные детали легко купить или добыть из старого лампового приемника или телевизора.

Рис. 2

Что касается катушек, их довольно просто сделать самим. Катушки L₁ и L₂ наматываются на общий цилиндрический каркас диаметром 3,5 см и длиной 7 см, который проще всего склеить из плотной бумаги (рис. 2). Первая катушка состоит из 6 витков медного провода диаметром 2-3 мм (в любой изоляции), расстояние между витками равно 1 см. Вторая содержит 10 витков провода (в эмалевой изоляции) диаметром 0,5 мм, намотанных вплотную виток к витку. (Вопрос для теоретиков: как должны быть согласованы направления намотки L₁ и L₂, чтобы обратная связь способствовала возникновению колебаний в контуре, а не наоборот? Иначе, очевидно, генератор работать не будет.) Катушка L₃, намотанная в один слой на бумажный каркас диаметром 2,7 см и длиной 8,5 см, содержит 190 витков провода ПЭЛШО (в эмалевой изоляции и шелковой оплетке) диаметром 0,35 мм. Она обернута несколькими слоями полиэтиленовой пленки и вставлена внутрь катушек L₁ и L₂. Дроссель Др содержит 70 витков провода диаметром 0,3 мм, намотанных в один слой на каркас диаметром 2,5 см.

Все конденсаторы в схеме слюдяные, рассчитанные на напряжение 500 вольт.

Лампа Л₁ должна, во-первых, быть достаточно мощной, а во-вторых, иметь достаточно маленькое внутреннее сопротивление. Этими свойствами обладают, например, лампы 6П31С или 6П36С (применяемые в выходных каскадах строчной развертки телевизоров).

Рис. 3

Для генератора нужен источник питания, дающий два напряжения: постоянное 200-250 В и переменное 6,3 В. Можно взять подходящий готовый блок питания, имеющийся в школьном физическом кабинете, воспользоваться блоком питания любого лампового приемника или собрать свой собственный по схеме, изображенной на рисунке 3. В нем можно использовать, например, имеющийся в продаже силовой трансформатор для радиол «Рекорд-353» и «Рекорд-354». На рисунке 4 приведена схема упрощенного блока питания. С ним генератор будет работать только каждый второй полупериод, когда напряжение на аноде положительно. Его средняя мощность уменьшится вдвое, и это даже хорошо: лампа и катушка будут меньше нагреваться.

Рис. 4

Вопрос о конструкции генератора каждый может решить на свой вкус. Человек с практическим складом ума придумает и сделает корпус и плату для размещения деталей; теоретик ограничится тем, что разложит детали на столе и припаяет их друг к другу. К счастью, «форма» генератора не влияет на его «содержание».

Несколько замечаний о технике безопасности. По-настоящему опасная вещь (чего ни в коем случае не следует делать!) — это использование схем, в которых детали генератора оказываются непосредственно соединенными с сетью напряжением 220 В. Нельзя также использовать в блоке питания автотрансформатор. Это создаст реальную угрозу поражения электрическим током. Будьте особенно внимательны при выборе полярности диодов и электролитического конденсатора в схеме на рисунке 3. Что касается высокочастотного напряжения, то оно довольно безопасно: удара током от него не возникнет. Так что, если не трогать руками детали работающего генератора, работа с ним вполне безопасна.

Итак, будем считать, что у вас хватило желания и терпения намотать катушки и собрать генератор (что вполне осуществимо за один день). Осталось привести его в действие.

Возьмем неоновую лампочку и, держа ее за цоколь, поднесем на расстояние нескольких сантиметров к верхней части катушки L₃. Включим блок питания генератора в сеть. Примерно через 30 секунд, когда катод лампы нагреется до красного свечения, генератор должен заработать, а неоновая лампочка — загореться. (При этом ток, потребляемый от источника питания напряжением 250 В, должен быть 70-100 мА.) Если лампочка не загорается (а ток достигает 150 мА и больше), значит, в схеме что-то неправильно. Надо выключить генератор и разобраться в причинах. Возможно, не согласованы направления намотки в катушках L₁ и L₂ или расстояние между ними слишком велико.

Вот и проведен первый опыт — неоновая лампочка светится, хотя она вообще ни к чему не подключена. Сделаем еще несколько. Катушки L₁ и L₃ образуют повышающий трансформатор, и потенциал на верхнем конце L₃ достигает нескольких киловольт. Если вывод этой катушки кончается острием, вблизи него возникает электрическое поле большой напряженности. В результате у острия загорается своеобразный электрический разряд, похожий на миниатюрное (около 5 мм) пламя свечи, правда, ярко-голубого цвета. Форма разряда довольно интересным образом зависит от напряжения и частоты. Понаблюдайте, как она меняется по мере прогрева генератора, когда напряжение постепенно возрастает. Часто «пламя» оказывается нестабильным (фотография на рисунке 5). Иногда, чтобы разряд загорелся, его нужно «поджечь», коснувшись острия лезвием отвертки с изолированной ручкой.

Рис. 5

При низкой частоте (менее 1 МГц) электрический разряд около острия выглядит как рассеянное холодное свечение (так называемый коронный разряд), сопровождающееся шипением и образованием озона. Но наш разряд — компактный и горячий, в чем легко убедиться, поднеся к нему конец деревянной линейки. Разряд может даже прожечь насквозь баллон неоновой лампочки, если ее поднести слишком близко.

Обсуждение опытов с высокочастотным генератором мы продолжим в следующем выпуске «Лаборатории «Кванта». А пока — несколько вопросов для самостоятельных исследований.

1. Оцените индуктивность катушки L₁.
2. Оцените емкость между верхним концом катушки L₃ и вашей рукой, держащей неоновую лампочку. Оцените ток, текущий по руке. Почему не стоит слишком долго держать руку близко к катушке?
3. Неоновая лампочка светится рядом с генератором, хотя она ни к чему не подключена. Откуда берется энергия? Как она попадает в лампочку?
4. Если удалить из схемы катушку L₃, неоновая лампочка все равно светится. Правда, ее теперь надо подносить вплотную к L₁. Изменяя индуктивность катушек и емкость конденсаторов, можно менять частоту генератора. Зависит ли цвет свечения неоновой лампочки от частоты?