负阻效应在收音机变频中的应用

于海旺

负电阻是什么？


    电阻是各种无线电技术装置中的基本元件，打开每一架无线电机都会看到有各种各样的电阻，例如合成电阻、碳膜电阻、线绕电阻和金属膜电阻等等。由于这些元件都能在一定程度上阻碍电流的流通，即它们的电阻数值为正，因此人们又把它们叫作正电阻。但是，在无线电技术中也广泛地应用着所谓“负电阻”，什么是负电阻呢？下面我们就谈谈这个问题。
    负电阻的基本概念
    为了说明负电阻的概念，我们首先了解一下一般电阻（正电阻)的特点

    如果在电阻的两端加一个电压u，电阻上就会有电流i流过（见图1a），并且电流i的大小和电压u成正比，这种关系用公式表示则为Hi=u/R。这个公式对直流电流和交流电流都是正确的，在交流电流的情况下，字母u和i表示电压和电流的瞬时值。
    上述关系式用图1b可以更直观地表示出来。在图1b中，横座标表示电阻两端的电压，它由零沿箭头的方向逐渐增大；纵坐标表示流过电阻的电流，它也是由零沿箭头的方向增大，但它不能独立变化，而只能随着电压一起变化。当中的一条通过坐标原点的斜线就表示电流随电压变化的关系，这条线叫作电阻的伏——安特性曲线。电阻的数值不同，这条曲线的斜率（纵坐标与横坐标的比）也不相同，但它们都表示电流和电压成正比变化的关系，这是正电阻的第一个特点。
    正电阻的另一特点是当电流流过它时要消耗电能。正电阻消耗的电能由电源供给，这些电能都变成热能而使电阻发热。
    以上是正电阻的特性，下面我们将和正电阻对照来研究负电阻的特性。

    负电阻也和正电阻一样，有两个引出端（见图2a），不过负电阻不是一个简单的无线电元件，它的构成比较复杂，在我们搞清楚负电阻的特性以后，再来专门研究它是如何构成的。
    负电阻的特性也用伏——安特性曲线来表示。理想负电阻的伏——安特性曲线如图2b所示。由曲线可知，当负电阻上电压为u0时，相应的电流为i0；电压增加到u1时，电流为i1，显然i1小于i0。这就是说，当电压增加的时候，电流不是增加，而是减小。或者说，当电压增加的量（u1—u0） 为正时，电流增加的量（i1—i0）为负。反之，当电压从u0减小到u2时，电流却从i0增大到i2。或者说，当电压增加的量（u2—u0）为负时，电流增加的量（i2—i0）却为正。
    从这里我们可以看出，加在负电阻上的电压增量，和流过它的对应的电流增量，在符号上总是相反的，因此它们的比值是负的，即
    -R=-u1-u0i1-i0=-u2-u0;i2-i
    这也就是所以叫作负电阻的原因。而这一特性表现在交流电路里，则是加在它上面的电压和流过它的电流相位相反。
    必须指出，只有在交流电压的作用下，才有可能出现负电阻。如果给负阻元件加一个直流电压，则流过它的电流仍然是一个直流电流，而且电流和电压的方向一致，因此二者之比仍为—正值，根本无负电阻可言。

    由于在交流电路里，负电阻的电压和电流的相位关系与正电阻相反，因此它也就表现出了另一个重要特性，即负电阻不消耗电能，它反而能够象电源一样给出能量。例如在图3a中，回路电流i1=e/R。假如把一个负电阻（—r）串联到回路里（见图3b），则回路电流i2=e/（R—r），显然i2＞i1。由此可见，在回路里串联一个负电阻就如同增加一个电源一样，能够增大负载电阻R的电流，因而也就增加了输出功率。但是负电阻给出能量的特性和普通电源（如电池、发电机等）不同，它本身不能给出能量，它只能象电子管放大器那样，把电源的直流能量转变为交流能量。
    下面再谈谈负电阻的构成问题。在无线电技术中遇到的负电阻都是一些无线电元件工作于特定的工作状态时表现出来的。例如四极电子管、五极电子管和隧道二极管等等，当它们的各极电压处于某一特定的范围，或者当把它们接成某些特殊电路时，就表现出负电阻特性。下面我们仅以四极管和五极管为例来研究负电阻是怎样形成的。
    四极管和五极管怎样形成负电阻？

    如果将四极管的控制栅压和帘栅压固定而变化屏压，就可得到图4所示的屏压—屏流特性曲线。可以把这条曲线分成三段，电压由零增加到u1是第一段，从u1增加到u2是第二段，大于u2的部分是第三段。由图可见，第一、三两段表现了正电阻特性，只有第二段才具有负阻特性。
    为什么第二段表现出负电阻特性呢？原来这是由于四极管具有二次电子发射的特性造成的。我们知道，四极管比三极管多一个帘栅极，因此它的屏压对阴极发射的电子流的影响很微弱，其屏压的大小只能决定电子流分配在帘栅极和屏极上的数量。当屏压小于u1时，在帘栅极和屏极之间形成一个较强的减速场，这时阴极电子流在帘栅压的作用下，一部分直接落到帘栅极上，其余部分在穿过网孔飞向屏极时，由于受到减速场的作用，又有一些回到帘栅极来（见图5a），这就使得最后落到屏极上的电子数量很少，所以屏流很小。随着屏压的增加，减速场逐渐变弱，屏流也就逐渐增加，一直增加到i1。

    当电压在u1和u2之间时，到达屏极的电子流的数量虽然增多，但由于它们的速度也增大，因而能够从屏极上撞出二次电子来。又由于这时屏极电压仍低于帘栅极电压，因此二次电子离开屏极后受到帘栅压的吸引而落到帘栅极上（见图5b），这时帘栅流增大，而屏流却因为屏极损失了二次电子反而减小了。所以屏压从u1增大到u2，屏流反而从i1减小到i2（见图4），这就是四极管形成负电阻的实质。
    屏压增加到u2后，它已接近于帘栅压，这时二次电子已不再落到帘栅极上，而是都回到屏极去了（见图5c），因此屏流又开始回升。

    下面我们再研究怎样利用五极管来形成负电阻。图6a是利用五极管形成负电阻的一种电路，五极管帘栅极和抑制栅极之间接入了电池组E是本电路的一个特点。由图可见，当帘栅压为Uc2时，抑制栅压则为Uc3=-E+Uc2。调节电位器R不仅能改变帘栅极电压，同时也能改变抑制栅极电压。图6b为帘栅极电压和电流的伏—安特性曲线，由图可见，这条曲线也是分成三段。当帘栅压Uc2处在零到u1之间时，由于它的数值较小，使Uc3=－E+Uc2的值为负。这个负电压使屏流截止，因此阴极发射的电子流全部落到帘栅极上，使帘栅流随帘栅压而增加。继续增加Uc2，抑制栅的负压降低，因而出现屏流。尽管这时帘栅压增大，使阴极发射的电子流增加，但由于屏流增加的更快，因此反而使帘栅流减小，于是在u1-u2这一区域里，帘栅极和阴极之间就表现了负阻特性。当uc2增加到大于u2时，由于帘栅极直接截获的电子数略有增加，因此帘栅流又极其缓慢地上升了。
    上面研究了四极管、五极管出现负阻特性的物理实质，此外还有一些无线电元件也具有负阻特性，这里就不一一叙述了。
    负电阻的应用

    负电阻的主要用途是可以组成负阻振荡器。我们知道，电感线圈L和电容器C并联的电路是一个振荡回路（见图7a）。在C上加上电压使它充电，能量便储存在C的静电场中：C通过L放电时，电流流过L便把能量储存在线圈的磁场中。能量在L和C之间来回交换，便产生了电磁振荡。理想的并联回路没有能量损耗，因而振荡能够永远维持下去，构成一个等幅振荡（见图7b）。但由于线圈的导线总有一些电阻，同时电容器也有介质损耗，因此振荡回路中储存的能量会逐渐消耗掉，振荡的幅度会渐渐变小以至振荡停止（见图7c），这种振荡叫作阻尼振荡。阻尼振荡的损耗可用一个和回路并联的电阻R来表示（见图8a），假如把一个负电阻（-R）并联在LC振荡回路上，并且使-R与R的大小相等（见图8b），则负电阻就能抵偿掉回路的损耗，因而使振荡能够永远维持下去，这就是负阻振荡器构成的原理。由多栅管组成的负阻振荡器广泛地应用在无线电测量设备和收音机中，这种振荡器的工作稳定，而且线路也比较简单。

    负电阻除可以构成负阻振荡器以外，还有放大作用（原理见本文图3）。利用负电阻的这种放大作用制成的负阻增音机广泛地用在电话线路上。
    在脉冲设备中，负电阻还广泛地用来作开关元件.

于海旺

利用负阻效应作本地振荡电路的变频器


    本文所要提到的电路在苏联的收音机电路中已得到较广泛的应用，我们可以在一些苏联的业余无线电书籍中找到这样的电路。这里简单地谈一下这种电路的工作原理、同时介绍几个实用的电路。
    什么叫负阻效应

    我们知道电阻通过电流时要消耗能量，同时它服从欧姆定律。但有些电气元件如电子管及半导体等在特定的电路工作状况下会产生如图1所示的下降特性，亦即产生电压增加而电流减少或电压减少电流增加的现象，这样电压增量与电流增量之比是负值，不服从于欧姆定律；换句话说，这种元件在这种工作状况下具有负电阻的特性。因此把上述现象称为“负阻效应”。与电阻相反，当负电阻通过电流时它不但不消耗能量反能补给能量。例如四极管在屏压略低于帘栅电压时，由于屏极被高速电子撞击所产生的二次电子奔向帘栅，故屏压略为增加时，二次电子的增加使帘栅流增加，而总的屏流反而减少，因而出现图2所示AB段的下降特性。某些半导体二极管也有类似的特性（见图3）。
    利用负阻效应的振荡电路

    上面提到过负电阻能补给能量，假如把负电阻与某调谐回路并联起来，并且使负电阻完全能抵消调谐回路里的正电阻，则这回路即可持续振荡。图4是利用四极管32，把屏极电压降低至帘栅电压以下获得的负电阻特性时制成的负阻振荡电路。使用其它电子管时，只要在它的屏压——屏流特性曲线上找出图2的AB段的中点的相对屏压和帘栅即可。
    下面再谈谈几种多栅管接成的负阻振荡电路。

    图5是用五极管6J7速成的负阻振荡电路，它的作用可如下解释：在某瞬间设帘栅电压略为降低引起帘栅电流减少，但是抑制栅是通过一个电容Ce与帘栅连接，因此帘栅电压的降低也使抑制栅电位略为降低；由于抑制栅电位降低的作用使屏流减少而帘栅流增加，若抑制栅的这种作用大于帘栅的作用，则总的帘栅电流是增加的；亦即在此时帘栅电压降低而帘栅流增加，反之亦然。因此，从AB端向左看来有如一个负电阻。接上LC后即可成为振荡器。图6图7即系五极管接成的负阻振荡器用作超外差收音机变频器中的本地振荡电路。图7中的6SA7可用6A8、6A7、6L7等代替。


    五栅管如6A8、6SA7、6BE6等也可接成负阻振荡器。如图8所示的电路是利用6A8第4栅的控制作用比第2栅为大的性能组成的负阻振荡电路。当某瞬间第2栅产生一电位降时，第二栅栅流ig2虽有减小趋势，但因通过Ce的交连，使第4栅电位也降低。同时，因第4栅的控制作用较大，以致总的ig2是增加而不是减小。反之，第2栅电位升高时，ig2减小。如果用6SA7代替6A8（把6SA7的第3栅代6A8的第4栅），也可得到同样结果。

    下面介绍两个用五栅管的负阻振荡变频电路。
    图9的变频电路就是把图8电路里的第1栅接到信号输入电路上；图10是用6SA7或6BE6等五栅管制成的变频器。


    负阻振荡器的优点
    负阻式本地振荡器较一般类形的本地振荡器稳定；而且电路很简单，振荡线圈没有抽头，因此用于多波段的收音机中可省去一档波段开关，减少了因波段开关不良而发生的故障；同时也省去了自己绕制线圈时调整抽头的麻烦；并且可以把多波段的振荡线圈绕成一个采用抽头的线圈，只用普通的波段开关就在转换波段时将其他波段的线圈短路（见图11）。

    自己装置有收音机的业余家想试验一下上述电路的话，只要更动这根接线换一个电阻和电容就可以了。

于海旺

试制利用负阻效应的变频器

    最近改装了我的收音机，效果很好，现将改装过程写在下面，以供参考。
    我的收音机原来的广播波段收音良好，但两个短波段收音效果不好，主要原因是本地振荡不强，经过几次修理也未奏效。因此按照负阻效应的原理改装，试验的程序如下：
    1．首先试验广播波段（线路见图1）：

    我原来是用LUX830线圈（当然其他线圈也可以，只改变一些接线就可以了），先不用波段开关（以免接触不良发生故障），按图1线路接好，原接阴极的LK点空着不接。开始时一帘栅极的电阻用50千欧，但帘栅极电压只有30伏，因此振荡太弱。后将帘栅极电阻改为10千欧（1瓦）振荡就加强起来，同时，为了节约零件，取消了阴极电阻和傍路电容器以及自动音量调节的零件（如果阴极加上300）欧的电阻和0.05的傍路电容器将更稳定）。
    2．然后将各短波波段也分别做了试验。线路见图2。这样一来，不但不需要再作同步调整，也提高了短波波段的效率。

    按照这个线路改装以后短波的效率大增，全度盘起振，收音也很稳定。但广播波段接上天线后选择性稍差，取消天线则很好。

∞阻抗∏

有道理。欢迎科普。学习中！！

于海旺

最后那张图点错了,删不下去了.不是负阻效应图

于海旺

负阻效应负互导振荡电路

闻风赏胆

用于中波好不好使？

未成之佛

很好的技术讲解贴谢谢了

焦流生

于老哥的资料非常好。详细啊，收藏了。我在六十年代玩电子管时就对负阻感兴趣，但是能找到的资料很少，也没有动手试。以后有机会改改我的短波。

mzxwswswws

高水平的讲解帖，小声的问一句：老师能给一个使用6A2作变频管的原理图吗?如果能给，请把图上的元件参数都标上，先在此谢过。本人想用该电路装一台纯短波机

于海旺

闻风赏胆 发表于 2014-6-26 20:43
用于中波好不好使？

只用于中波没有意义,主要是短波效果好.

于海旺

mzxwswswws 发表于 2014-6-26 21:47
高水平的讲解帖，小声的问一句：老师能给一个使用6A2作变频管的原理图吗?如果能给，请把图上的元件参数都标 ...

上面贴有6A2,这里截一下图

焦流生

我的自制机用6A2也是在短波高端震荡停，怎么改效果都不明显，换新管也无效，后来听说用6A2作变频高端就不行，比6U1差多了。这回谢谢老师提供经验了。

于海旺

焦流生 发表于 2014-6-26 21:39
于老哥的资料非常好。详细啊，收藏了。我在六十年代玩电子管时就对负阻感兴趣，但是能找到的资料很少，也没 ...

曾经试过上面的6K4当时中波没有6A2哈托莱式的好.对短波兴趣不大.

第尾才子

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