Принцип действия генератора с независимым возбуждением можно изложить на примере одной из простейших схем лампового генератора, показанной на рис.1.1.

Рис.1.1.

Основными элементами генератора являются электронная лампа, колебательный контур и источники питания. Сеточная цепь генераторной лампы имеет источник постоянного напряжения сеточного смещения E_g (обычно отрицательного) и связана с внешним, независимым от генератора, источником возбуждения . Анодная цепь содержит параллельный колебательный контур и источник постоянного анодного напряжения E_a. Параллельный колебательный контур генератора с учетом вносимого сопротивления от нагрузочных устройств, как правило, настроен на частоту напряжения возбуждения и представляет для этой частоты эквивалентное активное сопротивление R_Э. Рассмотрим работу этого генератора, полагая вначале, что лампа работает в режиме колебаний первого рода, то есть на линейном участке ее вольтамперной характеристики. Мгновенное значение напряжения на управляющей сетке лампы равно (между сеткой и катодом):

, (1.1)

где U_g амплитуда напряжения возбуждения , w – круговая частота напряжения возбуждения. При анализе будем предполагать, что колебательный контур генератора настроен в резонанс с частотой напряжения возбуждения. В этом случае первая гармоника анодного тока и напряжение на контуре изменяются синфазно с напряжением возбуждения , что изображено на рис.1.2, где I_a1 – амплитуда первой гармоники анодного тока, U_к – амплитуда напряжения на контуре. Может показаться, что напряжения и также синфазны. На самом деле они противофазны, поскольку фазы этих напряжений отсчитываются от одной общей точки схемы, которой является катод, имеющий нулевой потенциал.

Согласно второму закону Кирхгофа мгновенное значение напряжения на аноде лампы (между анодом и катодом) равно разности между постоянным анодным напряжением и падением напряжения на контуре, а именно:

, (1.2)

где Е_а– постоянное анодное напряжение. Используя рис.1.2 можно уяснить процесс преобразования энергии в ламповом генераторе. Электроны, пролетая пространство катод – анод лампы, взаимодействуют с постоянным и переменным электрическими полями анодного напряжения . При этом любой электрон, пролетая от катода к аноду, ускоренный напряжением источника Е_а, получает от постоянного поля энергию, равную e·E_a, где е - заряд электрона. Эта энергия при столкновении электрона с анодом полностью выделилась бы в виде тепла, если бы на аноде отсутствовало переменное напряжение =U_кcosωt. Переменное поле анода по-разному действует на электроны, проходящие через лампу в разные полупериоды переменного напряжения на ее сетке. В положительный полупериод этого напряжения переменное поле анода направлено противоположно постоянному полю и тормозит движение электронов на участке сетка - анод. Поэтому в положительный полупериод переменного напряжения на сетке лампы электроны отдают переменному полю анода, т.е. колебательному контуру, энергию е· , которая является частью энергии, полученной ими от постоянного поля. Таким образом, в положительный полупериод напряжения на сетке в бесполезное тепло превращается меньшая часть энергии, полученной от постоянного поля. В отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке лампы переменное поле анода направлено в одну сторону с постоянным полем и ускоряет движение электронов между сеткой и анодом. Поэтому в отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке лампы электроны отбирают от переменного поля часть его энергии, равную е , и при столкновении с анодом отдают в виде тепла. Следовательно, для эффективной работы лампы необходимо, во-первых, чтобы, электроны проходили через лампу только в течение положительного напряжения на сетке и, еще лучше, лишь в течение той его части, где величина близка к амплитудному значению U_к; во-вторых, чтобы амплитуда U_к была как можно больше.

Так как анодный ток лампы, который пропорционален количеству электронов, в положительный полупериод переменного напряжения на ее сетке больше, чем в отрицательный, то в целом за период высокой частоты электроны отдают переменному высокочастотному полю анода больше энергии, чем отбирают от него, осуществляя тем самым преобразование энергии источника постоянного анодного напряжения в энергию колебаний высокой частоты.

Отношение колебательной мощности генератора к мощности, потребляемой от источника постоянного анодного напряжения, называется электронным КПД генератора. Из приведенных выше рассуждений очевидно, что высокий электронный КПД может быть получен только в режиме колебаний второго рода, когда анодный ток не протекает в отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке лампы, и электроны не отбирают энергии колебаний высокой частоты, что повышает электронный КПД. С уменьшением длительности импульса анодного тока электронный КПД генератора возрастает. Электронный КПД и колебательная мощность, отдаваемая лампой в нагрузку, являются основными энергетическими показателями генератора. Их значения определяются параметрами лампы и контура, а также электронным режимом генераторной лампы, который зависит от питающих её напряжений и от величины и характера её нагрузки.