книги / Радиопередающие устройства
..pdfного максимального значения на управляющем электроде (еБ, е'Б) положение точки критического режима изменяется (£, Б'). Геометрическое место точек критического режима назы вается линией критического режима.
Поскольку динамическая характеристика ia= /( e a, ес) — прямая линия, то выходной (анодный или коллекторный) ток повторяет по форме напряжение возбуждения. В оптимальном режиме импульс анодного тока синусоидальный с немного притупленной верхуш кой за счет появления небольшого сеточного тока.
Режим работы генератора при сопротивлении, меньшем, чем оптимальное, называется недонапряженным. В недонапряженном режиме падение напряжения на нагрузке [/'а меньше, чем в опти мальном.
Характерными признаками недонапряженного |
режима явля |
||||||
ются: |
|
|
|
|
|
|
|
а) |
малое падение напряжения на нагрузке Ua; |
|
|
||||
б) |
большое остаточное |
напряжение |
на |
выходном |
электроде |
||
Смн1ь |
большой ток |
выходного электрода |
(ia или |
I'K) и выделение |
|||
в) |
|||||||
большой мощности |
(Ря или Р к) на выходном электроде; |
|
|||||
г) |
малый ток управляющего электрода |
(£с или I'K); недонагру- |
|||||
женность управляющего |
электрода, отсюда |
и название — недона- |
|||||
пряженный режим; |
|
|
|
|
|
|
|
д) |
синусоидальный, остроконечный импульс выходного тока; |
||||||
е) |
небольшие колебательная мощность |
Р ~ и КПД |
выходной |
цепи генератора, что ограничивает применение недонапряженного режима в каскадах умножения частоты и при сеточной модуляции.
Режим работы генератора при сопротивлении нагрузки, боль шем оптимального, называется перенапряженным. В транзистор ных генераторах он называется режимом насыщения. В этом ре
жиме: |
большое падение напряжения Ua на нагрузке, так как боль |
|
а) |
||
шое R3; |
электроде |
|
б) |
малое остаточное напряжение на выходном |
|
(£а.мнн или екмнн); |
|
|
в) |
небольшой выходной ток (ia или iK); |
, управляю |
г) |
большой ток управляющего электрода £с или i |
щий электрод перегружен, отсюда и название режима — перена пряженный.
В перенапряженном режиме происходит значительное перерас пределение тока выходного и управляющего электродов (катодно го тока между сеткой и анодом, эмиттерного — между базой и кол лектором).
Пользуясь динамическими характеристиками, строят нагрузоч ные характеристики, приведенные на рис. 1.34. Рассматривая эти характеристики, можно проследить, как изменяются основные па раметры генератора при изменении сопротивления нагрузки R3. Выше было показано, что важнейшими параметрами генератора
являются колебательная мощность Р~ и КПД. Рассматривая на грузочную характеристику колебательной мощности P ~ = f(R 3), ви дим, что значение колебательной мощности сначала возраста ет, достигая максимума, а затем уменьшается. Максимум колеба
тельной мощности |
совпадает с переломом в графиках зависи |
мостей /.ых! =*/(/?») |
и /выхо=/(#э). Режим, соответствующий макси |
муму полезной колебательной мощности, называется граничным. Штриховая линия, проведенная через точку, соответствующую Р~ макс, параллельно оси ординат, отделяет область недонапряженного режима от области перенапряженного. Она называется лини ей граничного режима. Слева от этой линии расположена область недонапряженного режима, справа — область перенапряженного режима.
Из нагрузочной характеристики КПД видно, что максимально го значения КПД выходной цепи генератора достигает в слегка перенапряженном режиме.
Амплитуда первой гармоники /выл и постоянная составляющая /выхо выходного тока сначала медленно убывает до критического режима. Это уменьшение /в ы х ! И /выхО небольшое. Им можно пре небречь и для ориентировочного расчета принять значения / вьш и
/выхо ПОСТОЯННЫМИ И рЭВНЫМИ /вых1 = /в ЫХ1 Гр И /выхо — /вЫХО Гр*
С переходом в перенапряженный режим оба тока убывают бы стрее, так как в этом режиме происходит перераспределение тока исходного электрода между управляющим и выходным электрода ми. В импульсе выходного тока появляется впадина, увеличиваю щаяся по мере возрастания напряженности режима. Эта впадина образуется из-за ответвления тока в цепь управляющего электро да. В сильно перенапряженном режиме ответвление тока в цепь управляющего электрода может достигать настолько значитель ной величины, что импульс выходного тока раздваивается (рис. 1.35). Как видно из рисунка, в слабо перенапряженном режиме появляется верхний угол отсечки 0i, а в сильно перенапряженном режиме — второй нижний угол отсечки 02.
Выходное напряжение £/Вых = /вых1#э в недонапряженном ре жиме возрастает до области критического режима, так как R3 уве личивается, а /вых! уменьшается незначительно. В перенапряжен ном режиме это произведение меняется в небольших пределах, так как резкое уменьшение тока / ВЫхi компенсируется увеличением R+ Следовательно, усилительный элемент в недонапряженном режиме можно рассматривать как генератор тока, а в перенапряженном режиме — как генератор напряжения.
Нагрузочная характеристика подводимой мощности Ро повто ряет форму кривой для /выхо, так как Ро=/выхо£’а, а значение на пряжения питания — постоянное. Мощность, рассеиваемая на вы
ходном электроде, с увеличением R3 уменьшается |
(см. рис. 1.34). |
|
Из анализа нагрузочных характеристик можно сделать следую |
||
щие выводы: |
Р~ и достаточно |
|
1. |
Для получения максимальной мощности |
|
большого |
значения КПД rj оптимальным является критический |
или слабо перенапряженный режим. Из графиков рис. 1.34 для и ц видно, что максимумы точек / и 2 их не совпадают. Макси
мальная колебательная мощность создается генератором в крити ческом режиме, но КПД при этом несколько ниже максимального. Сказанное дает возможность выбрать режим в зависимости от того, какой из параметров необходимо обеспечить по максимуму: мощность или КПД. При этом получение максимальной мощности ограничивается предельно допустимыми параметрами усилитель ного прибора — мощностью и током в выходной цепи.
2. В недонапряженном режиме небольшая Р~ и низкий т|э, а тепловые потери Ррас на выходном электроде электронного при бора большие, что может вызвать перегрев его и разрушение.
3. Важным достоинством слабо перенапряженного режима яв ляется незначительное изменение выходного напряжения при изме нении сопротивления нагрузки. Это дает возможность поддержи вать практически постоянным напряжение возбуждения в после дующем каскаде при непостоянстве его входного сопротивления.
4. В сильно перенапряженном режиме значения основных энер
гетических показателей генератора (Р~ |
и Цэ) небольшие, а поте |
ри на управляющем электроде сильно |
возрастают. В лампе это |
приводит к перегреву сетки и разрушению ее. Для транзистора пе ренапряженный режим менее опасен, чем для лампы, так как изза уменьшения рассеяния в области выходного электрода общий тепловой режим кристалла может оказаться неизменным при зна чительном возрастании напряженности.
1.16. н а с т р о й к а г е н е р а т о р о в
Настройка генератора состоит в том, чтобы обеспечить получение заданной колебательной мощности при достаточно высоком КПД на рабочей частоте генератора. Для получения максимальной мощ ности от генератора нужно, чтобы сопротивление нагрузки в вы ходной цепи генератора было оптимальным. А так как нагрузкой в выходной цепи является колебательный контур, то для получения наибольшего сопротивления его надо настроить в резонанс с час тотой напряжения возбуждения. При ручной настройке момент ре зонанса удобно определять по показаниям миллиамперметров, включенных во входную и выходную цепи генератора. Постоян ная составляющая выходного тока / Выхо в этом случае достигает минимального значения, а постоянная составляющего входного то ка /вхо — максимального (рис. 1.36). Приборы для измерения по стоянных токов в цепях генератора нужно подключать к точкам с нулевым потенциалом по переменной составляющей. Обычно это магнитоэлектрические приборы с большой паразитной емкостью между рамкой прибора и корпусом («землей»). И если прибор ока жется под переменным напряжением относительно «земли», то че рез эту емкость будет протекать большой переменный ток. Это мо жет привести к нарушению режима работы или перегоранию рам ки прибора. Для защиты рамок измерительных приборов от прохо-
Рис. 1.36. Изменение токов в цепях ге нератора в зависимости от настройки выходного контура
|
Ло |
|
V |
f, |
f |
ждения по ним переменных токов непосредственно на их разъемы устанавливают блокировочные конденсаторы емкостью {10
20) • 103 пФ.
В транзисторных генераторах экстремумы базового и коллек торного постоянных токов выражены нечетко из-за низкой доброт ности нагрузки. А настройка транзисторных генераторов на фик сированных частотах производится в заводских условиях с исполь зованием специальной измерительной аппаратуры, обеспечиваю щей более точное определение резонанса.
1.17. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ
Параллельное соединение. В том случае, когда одна лампа или транзистор не обеспечивают заданной мощности, а другие элек тронные приборы такой же мощности не подходят по каким-либо другим параметрам, применяют соединение нескольких электрон ных приборов для работы на одну общую нагрузку. Наиболее про стым способом соединения электронных приборов является их па раллельное включение, пример которого показан на рис. 1.37. В этих схемах одноименные электроды по радиочастоте соединены параллельно. Так в схеме на рис. 1.37 аноды ламп соединяются общим проводом, к середине которого подводится провод от на грузки и от источника питания. Управляющие сетки ламп по по
стоянному току |
имеют индивидуальное |
питание |
для |
того, |
чтобы |
|
можно было подбирать режим |
каждой лампы отдельно. |
|
||||
|
|
Для нормальной надежной ра |
||||
|
|
боты |
параллельно |
включенных |
||
|
|
электронных приборов их |
пара |
|||
|
|
метры и режимы должны быть |
||||
|
|
одинаковыми, |
а |
возбуждение |
||
|
|
синфазное. |
|
|
|
|
|
|
При одинаковых электронных |
||||
|
|
приборах их выходные токи /Bbixi |
||||
|
|
равны. Общий ток первой гармо |
||||
|
|
ники |
выходного |
тока / ВЫх1 |
равен |
|
|
|
сумме |
первых |
гармоник отдель |
||
|
|
ных |
электронных |
приборов: |
||
Рис. 1.37. Схема |
параллельного |
7вых1общ= 7 вых+7 вых1* Так, |
при |
|||
включения генераторных ламп |
двух |
одинаковых |
электронных |
приборах общий ток будет в 2 раза больше. Это позволяет умень шить сопротивление нагрузки R3 в два раза, а при нескольких электронных приборах в п раз. Уменьшение требуемого эквива лентного сопротивления нагрузки является достоинством парал лельного включения электронных приборов.
Суммарная мощность каскада из п электронных приборов рав на сумме мощностей всех электронных приборов.
Реально электронные приборы имеют разброс параметров и трудно обеспечить синфазность напряжений возбуждения. Поэтому параллельно включают не более двух-трех электронных приборов.
Но при параллельном включении электронных приборов по являются ряд недостатков. Основные из них следующие:
1.Междуэлектродные емкости электронных приборов при па раллельном соединении их складываются. Причем особенно нежела тельным является увеличение проходной емкости, так как это мо жет вызвать в генераторе возбуждение паразитных колебаний.
2.При выходе из строя одной из ламп оставшаяся лампа ока зывается нагруженной на сопротивление меньше оптимального, ре жим работы ее оказывается недонапряженным и лампа выходит из строя. Это особенно недопустимо для передающих устройств, устанавливаемых на летательных аппаратах.
Транзисторы соединять в генераторах параллельно нежелатель но из-за существенной неоднородности их параметров. Только в случае подбора идентичных транзисторов их можно соединять па раллельно.
В диапазонах УКВ. Дмв и Смв, где длина соединительных про водов соизмерима с длиной волны, параллельное соединение элек тронных приборов не применяется.
Последовательное включение (двухтактная схема). Двухтакт ная схема состоит из двух обычных однотактных генераторов, сое диненных общим проводом и работающих в противофазе. Лампы или транзисторы в этой схеме подключаются к контуру симмет рично, образуя два плеча. Они подпитывают контур поочередно.
Для рассмотрения физических процессов в двухтактной схеме проследим построение ее из двух однотактных схем. На рис. 1.38,а,б приведены упрощенные схемы двух одноламповых одина
ковых генераторов. Поскольку все |
их элементы |
одинаковы, |
то |
|
можно на обе лампы подавать питание от одного |
источника |
Е а. |
||
Получим схему рис. 1.38,в. Объединим индуктивности U и L" |
в |
|||
одну LK= 2 L 'K. Соединение двух последовательных емкостей |
С'к и |
|||
С"к дает вдвое меньшую емкость |
Ск=0,5 С'к. Получим |
схему |
рис. 1.38,г. Собственная частота общего контура при этом не изме нится и будет равна собственной частоте одного контура.
Резонансное сопротивление общего контура R3 оказывается вдвое больше сопротивления одного контура
Cl'
сг"
0
Рис. 1.38. Двухтактная схема генератора с внешним возбуждением
Физические процессы в двух тактной схеме генератора проте кают следующим образом. Напря жение смещения выберем так, что
бы угол |
отсечки 0 = 90°. |
При |
включении |
напряжения возбуж |
|
дения на |
управляющие |
сетки |
ламп поступают равные, но про
тивофазные |
напряжения U'c и |
U" с. Исходные токи ламп будут |
|
иметь форму |
импульсов, сдвину |
тых по фазе на 180°, как показа но на рис. 1.39. Этим двухтакт ная схема отличается от одно тактной. В однотактной схеме в режиме класса В используется только положительный полупериод напряжения возбуждения. Отрицательный не используется, так как лампа закрыта напряже нием смещения. В двухтактной схеме используются оба полупериода напряжения возбуждения. Во время положительного полупериода открыта одна лампа, а
Ряс. 1.39. Графики токов и напряже ний в двухтактной схеме
во время отрицательного полупериода — другая. В результате за один период напряжения возбуждения через контур поочередно проходят два импульса тока и подпитка контура происходит 2 ра за за период, т. е. в два такта.
Пользуясь теорией Фурье, импульсы анодных токов можно представить в виде рядов:
t,a = -^/aO"b^/alCOS (0^+ ... , £/,a==^/,ao4'^,,aiCOS <0^+
На рис. 1.39 показано графическое изображение составляющих импульсов анодного тока. Амплитуды всех гармоник должны сов падать с максимумом импульса, а фазы должны быть такими, что бы сумма гармоник составляла форму импульса. Поскольку на пряжения возбуждения на сетках ламп противофазные, то токи первой гармоники Г аi и I" ai будут также противофазны. Во вре мя положительного полупериода напряжения возбуждения на сет
ке |
первой лампы первая гармоника анодного тока Vai проходит |
от |
анода к катоду. В это же время на сетке второй лампы отрица |
тельный полупериод напряжения возбуждения Uc и ток первой гармоники анодного тока 1"аХ проходит от катода к аноду. Через контур токи первой гармоники проходят в одном направлении, соз давая на нем переменное напряжение Ua. В общем проводе пита ния АБ на рис. 1.38,г токи первой гармоники, а также всех нечет ных гармоник протекают встречно и взаимно компенсируются. При полной симметрии схемы токи нечетных гармоник в общем проводе не протекают. Поэтому можно считать, что токи первой гармоники проходят только через обе лампы и контур последовательно, не за ходя в общий провод. Поэтому схема и называется последователь ной: лампы по переменному току включены последовательно.
Ток первой гармоники / ai, проходя через нагрузку — контур, создает падение напряжения
Uа.общ= = 1al£?a.o6iu= = I al-^ al — 2 £/к,
т. е. удвоенное по сравнению с однотактной схемой. Это напряже ние поддерживает в контуре ток / к = / aiQ06m такого же значения, какой был в отдельном контуре одного плеча. Из рис. 1.39 видно, что токи первой гармоники в двухтактной схеме складываются во времени, а не по амплитуде. Оба плеча создают в общем контуре мощность колебаний
Р ~Эбщ=0,5£/к/а1= 0,5• 2U'J 'ai = 0,5■2U"J"aX= 2 P '„ = 2 Р"
т. е. удвоенную по сравнению с одним плечом.
Токи четных гармоник плеч, как это видно из рис. 1.39, I'ai = = / " а2, / , а4 = / ,/а4 синфазны. Поэтому в общем проводе они склады ваются, т. е. удваиваются. В контуре токи четных гармоник напра влены встречно и взаимно компенсируются. При полной симметрии схемы токи четных гармоник в той ветви контура, которые не свя заны с общим проводом, компенсируются полностью. Обычно с общим проводом соединяют емкостную ветвь, сопротивление кото
рой для высших гармонических составляющих значительно мень ше, чем для основной. Тогда в индуктивной ветви контура четные гармоники будут отсутствовать. Антенна передатчика, связанная с этой ветвью контура трансформаторной связью, не будет излучать колебания четных гармоник. Это обеспечивает лучшую фильтра цию побочных излучений антенной передатчика.
Поскольку схема симметрична относительно общего провода с нулевым потенциалом, то средние точки обеих ветвей общего кон тура имеют нулевой потенциал. Но в реальных схемах заземлять одновременно средние точки обеих ветвей недопустимо, так как найти точку нулевого потенциала на катушке практически невоз можно. Средняя конструктивная точка катушки индуктивности не совпадает с электрической из-за разброса параметров и паразит ных емкостей монтажа.
На крайних точках контура будут равные по величине, но про тивоположные по знаку колебательные напряжения. Постоянные токи / 'ао и I"ао в общем проводе складываются / а о б щ = 2 / , а0. Под водимая мощность Р 0 будет в 2 раза больше, чем в однотактной схеме.
Возбуждение двухтактных генераторов возможно как от одно тактных, так и от двухтактных возбудителей. Но для улучшения фильтрации гармоник и обеспечения симметрии схемы лучше поль зоваться двухтактными возбудителями.
Симметричные двухтактные схемы имеют ряд достоинств: значительное ослабление четных гармоник в нагрузке гене
ратора; уменьшение емкости, вносимой в контур лампами, за счет
последовательного соединения между собой междуэлектронных емкостей;
отсутствие в общем проводе питания первой и остальных не четных гармоник;
более простая схема нейтрализации влияния проходной ем кости.
Недостатки схемы:
сложность получения симметричной конструкции схемы; необходимость иметь контур с большим значением R3 и уд
военным напряжением; получить большое R3 контура на УКВ затруднительно из-за паразитных емкостей.
В последнее время двухтактные схемы применяют все реже. Чаще применяют однотактные схемы. Они проще и Надежнее.
Транзисторные двухтактные генераторы. Транзисторы имеют значительно больший разброс параметров, чем лампы. Поэтому для двухтактных схем подбирают их по параметрам, а также применяют различные схемные решения симметрирования их ра боты.
Свойство двухтактной схемы восстанавливать синусоидальную форму усиливаемого напряжения при апериодической нагрузке хорошо реализуется в транзисторных схемах. Низкое внутреннее сопротивление биполярных транзисторов для согласования с ре-
а) |
s ) |
Рис. 1.40. Схема двухтактная транзисторного генератора: |
|
а — на трансформаторах с магнитной связью; |
б — на трансформаторах нз отрезков длин* |
ных линий |
|
зонансной нагрузкой приводит к резкому снижению ее доброт ности. При этом нагрузка практически оказывается апериодичес кой. На частотах до 30 ... 60 МГц транзисторные генераторы стро ятся по двухтактной схеме с апериодической нагрузкой. На час тотах 1... 10 МГц при небольшой мощности (десятки ватт) тран зисторные генераторы .выполняют на трансформаторах с магнит ной связью между обмотками. Одна из таких схем приведена на рис. 1.40,а.
Для получения больших мощностей >на более высоких часто тах двухтактные транзисторные генераторы строят на трансфор маторах из отрезков длинных линий, как показано на рис. 1.40,6. Здесь трансформаторы 77 и Т4 осуществляют переход от несим метричных к симметричным .нагрузкам. Трансформаторы Т2 и ТЗ обеспечивают фильтрацию четных гармоник базового и коллек торного токов транзисторов.
Наиболее простая схема симметричного транзисторного двух
тактного |
генератора с |
широкодиапазоиными трансформаторами |
на входе |
и на выходе |
приведена на рис. 1.41. Трансформаторы |
Рис. 1-41. Схема двухтактного тран- |
Рис. 1.42. Двухтактная схема на би |
зисторного генератора с широкодиа |
полярных транзисторах различной |
пазонными трансформаторами |
проводимости |
обеспечивают согласование сопротивлений, гальваническое разде ление сопрягаемых цепей и ослабление четных гармоник.
Двухтактную схему генератора удобно построить на биполяр ных транзисторах различной проводимости, как показано на рис. 1.42. В этой схеме оба транзистора и нагрузка по току ра диочастоты включены параллельно. Поэтому возбуждение можно производить от однотактного возбудителя. Но токи четных гар моник проходят через нагрузку встречно.
1.18. СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ
Общие сведения. Требуемая мощность передатчика во многих случаях не может быть обеспечена одной лампой или транзисто ром. А параллельное и двухтактное включение усилительных приборов (ламп, транзисторов) имеет ряд недостатков, вызван ных взаимной связью усилительных приборов через сопротивле ние .нагрузки и внутреннее сопротивление источника возбужде ния. Основные из «их следующие:
1. Отказ одного из усилительных приборов может вызвать выход из строя остальных приборов.
Для примера рассмотрим параллельное включение двух прибо ров. При отказе одного напряжение на нагрузке уменьшается вдвое, что эквивалентно уменьшению вдвое сопротивления нагруз ки для оставшегося целым усилительного прибора. Генератор пе реходит из граничного режима в недонапряженный. Мощность на нагрузке понизится, а мощность, рассеиваемая на выходном элек троде, повысится; он может перегреться и перегореть.
2. Низкая устойчивость к паразитным генерациям из-за уве личения числа паразитных реактивностей и усложнения схемы.
3. Неравномерность распределения токов усилительных при боров из-за разброса их параметров усугубляется связью через общую нагрузку. Так, при параллельном включении двух ламп или транзисторов каждая из ламп работает на нагрузку при оди наковых параметрах всех элементов схемы. При разбросе пара метров ламп одна из них (с меньшим сопротивлением) будет ра ботать в режиме потребления мощности, а Другая — в режиме генерации.
Все это приводит к резкому снижению надежности передат чика. А для гражданской авиации надежность связи является важнейшим решающим показателем. Поэтому получение большой мощности достигается методом сложения (суммирования) мощ ностей отдельных сравнительно маломощных генераторов. Разли чают три метода сложения мощностей:
1)сложение мощностей нескольких блоков в общем контуре,
2)сложение высокочастотных полей в пространстве,
3)сложение мощностей с помощью ростовых схем.
Схемы сложения мощностей должны удовлетворять следую щим требованиям: