Ламповый генератор с самовозбуждением (автогенератор)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения

Ламповый генератор с самовозбуждением (автогенератор) является преобразователем энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний, возникающих в его схеме самопроизвольно без периодического воздействия внешнего возбуждающего напряжения.

В современном радиопередающем устройстве автогенератор является первым элементом - возбудителем колебаний. Он часто называется задающим генератором, так как именно он «задает» частоту первоначальных колебаний. В радиопередатчиках применяются автогенераторы, создающие незатухающие синусоидальные колебания.

Различаются автогенераторы схемой включения кабельной системы и типом электронного прибора - нелинейного элемента, управляющего процессом преобразования энергию. В качестве такого прибора используются электронные лампы, полупроводниковые триоды и специальные электровакуумные приборы (клистроны, лампы обратной волны, магнетроны и др.).

Рассмотрим работу лампового генератора с самовозбуждением. В нем лампа осуществляет одновременно прямую и обратную связь в схеме.

Прямая связь лампы с колебательной системой (контуром) периодически передает энергию от источника постоянного тока колебательной системе при помощи изменяющегося анодного тока.

Обратная связь использует возбужденные колебания для самоуправления работой лампы и осуществляется через специальную электрическую цепь, передающую часть напряжения с колебательного контура обратно в цепь сетки лампы для самовозбуждения (рис. 7.1).

 Размещено на http://www.allbest.ru/

Обратная связь

Рис 7.1 прямая и обратная связь в схеме генератора с самовозбуждением

Наличие цепи обратной связи и отличает автогенератор от генератора с внешним возбуждением.

Таким образом, генератор с самовозбуждением представляет собой автономную колебательную систему, содержащую следующие основные элементы:

- источник питания постоянного напряжения, энергия которого преобразуется в энергию электрических колебаний;

- нелинейный элемент - электронную лампу (или полупроводниковый триод), управляющую процессом поступления энергии в контур;

колебательный контур, определяющий частоту и форму колебаний;

- цепь обратной связи, управляющую работу электронной лампы.

Обычно автогенераторы обладают небольшой мощностью, так как основные требования, предъявляемые к ним, заключаются в высоком постоянстве (стабильности) частоты и амплитуды колебаний. Получить стабильные автоколебания при достаточно большой мощности представляет определенные технические трудности. Именно для этого даже при небольших мощностях автогенераторы передатчиков тщательно защищают от возможных внешних влияний.

Генераторы с самовозбуждением классифицируются по ряду общих признаков:

- способу построения цепи обратной связи;

- количеству колебательных систем- контуров- в схеме (одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные);

- способу стабилизации частоты автоколебаний (параметрическая, кварцевая и др.);

- величине мощности (сотни милливатт, ).

Технические данные задающего генератора (частота автоколебаний, ее стабильность) определяют аналогичные показатели всего передатчика, т. е. нормальную частоту излучаемых колебаний и их стабильность.

Повышение стабильности частоты колебаний автогенератора позволяет сузить требуемую полосу пропускания данного канала радиосвязи, что дает возможность разместить большее число каналов в данном диапазоне частот и повысить их помехозащищенность.

Принцип работы и основные схемы. Принцип работы автогенератора с самовозбуждением

Для получения колебаний в анодной цепи генератора с внешним возбуждением требовалась подача во входную цепь лампы возбуждающего напряжения от внешнего источника колебаний. В автогенераторе возбуждающее напряжение образуется в самой его схеме. Для этого цепь положительной обратной связи, которая при наличии в анодном контуре электрических колебаний, автоматически подает их обратно в цепь сетки лампы, сохраняя амплитуду и фазу возбуждающего напряжения такими же, какие обеспечивались ранее источником внешнего возбуждения.

Способ превращения генератора с внешним возбуждением в самовозбуждающийся показан на рис. 7.2. Из него, очевидно, что при сохранении амплитуды и фазы возбуждающего напряжения цепью обратной связи генератор сохраняет режим неизменным при отключенном источнике внешнего возбуждения.

Цепью обратной связи автогенератора, может быть, простой или сложной, т.е. с большим числом элементов. В любом случае переменное напряжение на ее выходе , возбуждающее лампу, должно сохранить фазу по отношению к напряжению на контуре такой же, какая была и у генератора с внешним возбуждением. Это первое и обязательное условие работы автогенератора носит название фазового условия самовозбуждения.

Обычно в любом ламповом генераторе амплитуда возбуждающего напряжения меньше усиленного колебательного напряжения, действующего на контуре (и аноде лампы ). Поэтому в автогенераторе цепь обратной связи должна выполнить необходимую трансформацию выходного напряжения в напряжение возбуждения .

Отношение амплитуды напряжения, подаваемого на сетку лампы для самовозбуждения, к переменному напряжению на аноде носит название коэффициента обратной связи.

Коэффициент обратной связи обозначается

В связи с тем, что колебательное напряжение на аноде и напряжение возбуждения отличаются не только амплитудами, но и фазами, коэффициент обратной связи, в общем случае, является комплексной величиной.

Уменьшением величины коэффициента обратной связи К можно добиться положения, при котором энергия, поступающая в контур автогенератора, будет меньше расходуемой в нем, и колебания в схеме затухнут (сорвутся). Наименьшая обратная связь, при которой еще возможно устойчивое самовозбуждение, носит название критической, а соответственный коэффициент обратной связи - критическим.

Для надежного самовозбуждения обратная связь в схеме автогенератора должна всегда превосходить критическую, а следовательно, и коэффициент обратной связи должен быть больше критического. В этом случае уже при включении автогенератора на сетку его лампы будет подано напряжение возбуждения с амплитудой, достаточной для самовозбуждения при самых малых электрических колебаниях, возникающих в контуре.

Следовательно, в автогенераторе для самовозбуждения должно быть выполнено второе, так называемое амплитудное условие самовозбуждения, заключающееся в том, что цепь обратной связи на своем выходе должна обеспечить величину амплитуды возбуждающего напряжения, достаточную для самовозбуждения схемы и установления в ней незатухающих колебаний. Ниже эти два обязательных условия самовозбуждения любого автогенератора будут пояснены более подробно.

Существуют три основные схемы автогенераторов, отличающиеся друг от друга построением цепи обратной связи. Рассмотрим работу этих схем.

Схема с трансформаторной обратной связью

Схема лампового автогенератора последовательного питания с контуром в анодной цепи приведена на рис. 7.3. В ней цепь трансформаторной обратной связи образована катушкой контура и катушкой обратной связи в цепи сетки. Обе катушки - и - имеют индуктивную связь, оцениваемую величиной взаимной индуктивности М, и представляют собой трансформатор высокой частоты с коэффициентом трансформации напряжения

Возникающее в контуре даже самые слабые электрические колебания (переменного тока) одновременно наводят в катушке переменную эдс, которая создает переменное возбуждающее напряжение на участке сетка - катод лампы. Это напряжение управляет анодным током лампы точно в такт с колебаниями, возникшими в анодном контуре. Чтобы поддержать эти колебания, необходимо подавать в него периодически энергию в соответствии с уже происходящими колебаниями. Таким образом, доставляемые в контур поток энергии должен быть пульсирующим, что и осуществляется лампой, управляемой цепью обратной связи. Включение концов катушки должно сохранить противофазность переменным напряжений на сетке и аноде , что является непременным условием работы ламповой схемы. Включение концов катушки должно сохранить противофазность переменных напряжений на сетке и аноде , что является непременным условием работы ламповой системы.

Задача получения незатухающих колебаний требует, чтобы энергия, расходуемая анодным источником E б , полностью покрывала все потери в контуре, включая и энергию, отдаваемую автогенератором во внешнюю цепь, - нагрузку. На рис.7.4 рассмотрены фазовые соотношения между напряжением и токами в установившемся режиме автогенератора. В некоторый момент напряжение на конденсаторе контура имеет величину, отмеченную на рис. 7.4а отрезком па. Колебательный разряд конденсатора происходит через катушку, и напряжение на нем изменится так, как показано на рис. 7.4а (кривая I). Возникший в катушке индуктивности ток , будет отставать от напряжения на угол, близкий к 90° (рис. 7.4 б). Таким образом, в контуре автогенератора возникают начальные электрические колебания, частота которых определяется величинами индуктивностии емкости .

Переменный ток, проходящий по катушке обратной связи эдс взаимоиндукции, которая и создает в цепи сетки генератора возбуждающее напряжение (рис.7.4в).

Изменение анодного тока происходит в соответствии с изменением возбуждающего напряжения , т.е. при изменении сеточного напряжения по косинусоидальному закону , по этому же закону изменяется и переменная составляющая анодного тока - первая гармоника (рис. 7.4г).

Периодически меняющейся анодный ток может иметь различную форму, зависящую от колебательного режима лампы (А, В или С). Однако первая гармоника этого тока всегда совпадает по фазе с возбуждающим напряжением и напряжением на контуре

Рассматривая графики токов и напряжений автогенератора и сравнивая их с аналогичными графиками генератора с внешним возбуждением (см. рис. 4.12б), можно видеть, что они одинаковы.

Благодаря фильтрующей способности контура действие высших гармоник импульса анодного тока проявляется слабо и основным током, питающим контур (колебательную систему ), является ток первой гармоники . Таким образом, при наличии в контуре автогенератора гармонических колебаний в его анодной цепи создается периодически меняющийся анодный ток, способный поддержать возникшие колебания и сделать их незатухающими.

Определим основные количественные отношения в схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью:

1. Амплитуда колебательного напряжения

2. Амплитуда напряжения (наведенного) на катушке обратной связи

3. Коэффициент обратной связи

4. Частота колебаний

где- амплитуда тока в контуре автогенератора,

M- величина взаимной индуктивности между катушками контура и обратной связи.

Следует отметить, что изменение взаимного расположения катушек (или числа витков в них) приводит к изменению резонансной частоты контура вследствие изменения коэффициента взаимной индукции M, паразитной емкости между катушками и изменения влияния междуэлектродных емкостей лампы.

Схема с индуктивной обратной связью

В этой схеме напряжение обратной связи снимает с части индуктивности контура которая одновременно служит своеобразным делителем напряжения, действующего на контуре.

Из схемы видно, что фазовое условие самовозбуждения в ней выполняется, так как напряжение возбуждения на сетке лампы всегда изменяется в противофазе с переменным напряжением на аноде. Для этого точка подключения катода лампы к контуру должна находиться между точкамии , к которым присоедини анод и сетка. Только в том случае общий контурный ток создает на элементах ,противофазные падения напряжения ,относительно точки к. картина распределения напряжений вдоль катушки контура приведена на рис. 7.5б. Она подтверждает противофазность напряжений, и сохраняется при создании нулевого высококачественного потенциала на любом из трех электродов - катоде, сетке, аноде. Схемы носят название соответственно : автогенератором с общим катодом, общей сеткой, общим анодом.

Регулировка величины амплитуды обратной связи в этой схеме осуществляется перестановкой контакта g на витках катушки.

Коэффициент обратной связи в данной схеме определяется из выражения

Это приблизительное соотношение, так как в нем не учитывались взаимоиндуктивность между частями катушкии и потери. Ориентировочно можно считать, что коэффициент обратной связи представляет собой отношение чисел витков катушки, расположенных между точками включения электродов сетка - катод и анод - катод .

Величину сопротивления анодной нагрузки , включаемой в анодную цепь лампы, можно изменять перемещением по виткам катушки анодного контакта . Однако при этом, кроме изменения величины , всегда происходит и одновременно изменение коэффициента обратной связи. Так, при перемещение контактавниз по катушке (рис. 7.5а) сопротивление будет уменьшаться, но в связи с уменьшением числа витков, включенных между точками а- к, будет увеличиваться коэффициент обратной связи.

Частота автоколебаний в генераторе с индуктивной обратной связью определяется формулой

где - полная индуктивность контура.

Для перестройки частоты удобно применять конденсатор переменной емкости. Однако заземление ротора конденсатора в этой схеме невозможно, так как приводит к короткому замыканию сеточной части витков катушки .

Схема с емкостной обратной связью

Схема автогенераторов с емкостью обратной связью приведены на рис. 7.6. Деление колебательного напряжения и получение напряжения обратной связи осуществляются на емкостной ветви контура. В связи с этим схема и получила свое название. Напряжение обратной связи снимается с емкости . Из схемы ясно видно, что при обтекании элементов иобщим контурным током падения напряжений на них противофазны относительно точки к и фазовое условие самовозбуждения здесь выполняется, т.е напряжение на сетке противофазно напряжению на аноде . Именно поэтому точка присоединения катода лампы к контуру должна находиться между точками a и g, к которым присоединены анод и сетка. Картина распределения напряжений вдоль индуктивной ветви контура аналогична предыдущей схеме.

Коэффициент обратной связи определяется выражением

Оно приближенно, так как получено без учета потерь в элементах контура . Для изменения величины коэффициента обратной связи необходимо изменять емкость одного из конденсаторов или , что ведет одновременно и к изменению частоты колебаний. Чтобы частота оставалась неизменной, следует постоянство общей емкости , а изменять соотношение емкостей и . Это удобно делать, составив емкостьиз последовательно включенных конденсаторов (рис. 7.7б). Настраивать контур автогенератора с емкостью обратной связью можно и изменением индуктивности контура.

Двухтактные схемы автогенераторов

Двухтактные схемы с самовозбуждением образуются аналогично двухтактным схемам с независимым возбуждением, т.ее путем соединения двух одинаковых автогенераторов.

В них возможны все три вида обратной связи: трансформаторная, индуктивная (рис. 7.7а) и емкостная (рис. 7.7б). наиболее удобной является емкостная обратная связь.

В приведенных схемах провода, идущие на сетках обеих ламп, перекрещены относительно точки к для получения необходимых при самовозбуждении фаз переменных напряжений сетки и анода. В двухтактных схемах широко используются специальные двойные тетроды, устойчиво работающие в широком диапазоне частот.

Схемы транзисторных автогенераторов

Задающее автогенераторы на транзисторах нашли применение в возбудителях современных радиопередатчиков благодаря экономичности, долговечности, надежности и компактности монтажа. К автогенераторам, как известно, предъявляется основное требование - высокая стабильность частоты генерируемых колебаний. Простые схемы одноконтурных автогенераторов на транзисторах при стабилизации питающих напряжений и правильном выборе режимов обеспечивают стабильность частоты и амплитуды колебаний не хуже, чем ламповые. Компактность схемы и малые уровни рассеваемой транзистором мощности позволяют помещать схему целиком в термостат малых размеров и получать стабильность частоты колебаний порядка

Классификация и построение принципиальных схем транзисторных автогенераторов аналогичны ламповым схемам. Выполнение амплитудных и фазовых условий самовозбуждения в этих автогенераторах имеет особенность вследствие инерции носителей тока в транзисторе, так как это приводит к более сложным зависимостям из-за существующих фазовых сдвигов. Условие баланса амплитуд выполняется при выборе достаточного коэффициента обратной связи К , который просто обеспечивает благодаря высокому коэффициенту усилие схемы с транзистором.

Влияние инерции носителей тока в транзисторе на частотах в диапазоне до проявляется слабо. На частотах более высоких, чем , цепи обратной связи в схемах усложняются ввиду необходимости введения в них дополнительных, реактивных сопротивлений, компенсирующих фазовые сдвиги, проявляющиеся на более высоких частотах.

Режим работы транзисторных автогенераторов преимущественно недонапряженный, близки к граничному.

В схемах транзисторных автогенераторов, в отличие от ламповых, на базу подается первоначально напряжение смещения , смещающее рабочую точку на участок характеристики с достаточной крутизной для облегчения самовозбуждения. Это вызвано «правым» расположением характеристики коллекторного тока. Поэтому в практических схемах, как правило, используется комбинированное смещение обеспечивает «мягкое» возникновение колебаний, а действие автоматического смещения обеспечивает нужный угол отсечки в установившемся режиме. Первые две - емкостная трехточечная и индуктивная - используется часто. Схема с трансформаторной обратной связью менее удобна, она сложна в исполнении и поэтому почти не применяется.

Автоматическое смещение в схемах рис. 7.21б,в создается на сопротивлении падением напряжения на нем за счет тока эмиттера; в схеме рис. 7.21а - за счет тока базы на сопротивлении. Начальное фиксированное смещение на базу подается в этих схемах либо от отдельного источника либо от источника коллекторного напряжениячерез делитель

При прочих равных условиях большей стабильности генерируемых колебаний отличается емкостная трехточечная схема автогенератора.

Статические характеристики триода и тетрода и их аппроксимация

Триод или тетрод в схеме ВЧ генератора предназначен для усиления мощности входного сигнала. Для определения мощностей потребления, выходной, рассеивания на аноде, КПД и других параметров необходимо в первую очередь найти анодный ток ламы. Данная задача может быть решена с помощью статических или вольт-амперных характеристик электровакуумного прибора, характеристики которого делятся на три основных вида:

анодно-сеточные - при разных значениях и(рис. 6.3,б);

сеточные - при разных значениях и (см. рис. 6.3,а).

Приведенные на рис. 6.3 характеристики называются статическими, потому что они снимаются при постоянных напряжениях на электродах без ВЧ сигнала. При расчете ВЧ генератора производится аппроксимация этих характеристик отрезками прямых. Такая аппроксимация называется полигональной. При этом характеристики, показанные на рис. 6.3, заменяются другими, приведенными на рис. 6.3, которые используются при дальнейшем анализе.

Согласно рис. 6.4, а для анодного тока при запишем:

при

при

где - напряжение отсечки; - крутизна анодно-сеточной характеристики лампы (сокращенно - крутизна), измеряемая в мА/В.

Чем больше анодное напряжение , тем левее располагается характеристика .

Согласно рис. 6.4,б для анодного тока при запишем:

при ;

при

где - крутизна линий граничного режима, проводимая через точки резкого спада анодного тока (см. рис. 6.3, б), мА/В; - напряжение, при котором происходит излом анодной характеристики; значение зависит от уровня напряжения на сетке.

Согласно рис. 6.4, а для сеточного тока при запишем;

при

при

где - крутизна сеточной характеристики лампы, мА/В.

Выражения (6.6)-(6.8) в дельнейшем будут использованы при анализе работы ВЧ лампового генератора.

Динамическая характеристика и три режима работы ВЧ лампового генератора

В соответствии с результатами, полученными в подразд. 5.3, определим динамическую характеристику лампового ВЧ генератора для мгновенных значений анодного тока и напряжения: . Анализ проведем при типовом значении угла отсечки .

Согласно формулам (6.9) и (6.10) для анодного тока (см. рис. 6.8) запишем:

при

при

Согласно формулам (6.25) и(6.34), для анодного напряжения имеем

Решим совместно уравнение (6.33) и (6.34), исключив из них время t. В результате получим:

при

при

Согласно (6.35) динамическая характеристика ВЧ генератора состоит из двух отрезков прямых линий. Каждый период колебаний рабочая точка, характеризуемая координатами , «пробегает» по ней: полпериода по одной ветви, полпериода - по другой. Построим динамическую характеристику (6.35) на плоскости статических вольт-амперных характеристик (рис. 6.9).

Одна ветвь этой характеристики проходит по оси абсцисс правее координаты и неизменна, а вторая располагается на плоскости под углом:

где при коэффициента .

Согласно (6.36) при изменении сопротивления анодной нагрузки по 1-й гармонике сигнала меняется угол наклона динамической характеристики: от при =0 (режим короткого замыкания) допри (режим холостого хода). До тех пор пока динамическая характеристика не пересекает линию граничного режима, форма импульса анодного тока остается практически неизменной - косинусоидальной. При возрастании значения и соответственно амплитуды анодного напряжения в динамической характеристике происходит второй излом и появляется третий участок, проходящий по линии граничного режима, а в импульсе анодного тока появляется провал.

В результате в ламповом ВЧ генераторе с внешним возбуждением возможны три режима работы:

граничный, при котором динамическая характеристика касается линии граничного режима, ему соответствует значение сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала и амплитуда ВЧ напряжения импульс тока имеет косинусоидальную форму (см. рис. 6.9, случай 2);

недонапряженный, при котором динамическая характеристика не доходит до линии граничного режима, ему соответствует значение сопротивления анодной нагрузке на частоте сигнала, а амплитуда ВЧ напряжения , импульс тока менее косинусоидальную форму;

перенапряженный, при котором динамическая характеристика пересекает линию граничного режима и далее с ней совпадает, этому режиму соответствует значение сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала и амплитуда ВЧ напряжения , импульс тока имеет косинусоидальную форму с провалом посередине.

Физическое объяснение возникновения провала в импульсе =-, которое становится соизмеримым с максимальным значением напряжения на управляющей сетке (напряжение и находятся в противофазе - см. рис. 6.8). Вследствие этого поток электронов, идущий от катода к аноду «перехватывается» управляющей сеткой, ток которой резко возрастает, а в анодном токе при этом происходит провал. В перенапряженном режиме с увеличением сопротивления провал в импульсе тока возрастает, что может даже привести к «расщеплению» импульса.

Из геометрических построений следует

,

где - крутизна линии граничного режима; - коэффициент использования анодного напряжения в граничном режиме работы.

Мощность 1-й гармоники сигнала в граничном режиме с учетом (6.37) запишется в виде

или ,

где

решив квадратное уравнение (6.38), для коэффициента использования анодного напряжения в граничном режиме работы получим

При режим работы ВЧ генератора является недонапряженным, при - перенапряженным. Наиболее часто ВЧ генератор работает в граничном режиме, который обеспечивает максимальный КПД, и только в особых случаях, например при амплитудной модуляции, выбираются два других режима.

Выбор угла отсечки в ГВВ

Из основного уравнения лампового генератора можно получить:

Постоянная составляющая тока в соответствии с теоремой Фурье может быть представлена в виде

Здесь было использовано соотношение .

Обозначим , получим или, обозначив , получим .

Амплитуда n- й гармоники в соответствии с теоремой Фурье может быть определена

,

где ;

Если кривая симметрична относительно оси ординат (в рассматриваемом случае это выполняется), тогда в разложении Фурье сохраняются только косинусные члены.

Пологая, что сопротивление нагрузки чисто активное для основой частоты и , кривая - симметрична, получим

где

или где

Если принять n=1, то есть выделить первую гармонику, тогда в приведенном соотношении получим неопределенность и раскроем ее по правилу Лопиталя

;

Коэффициенты иназывается коэффициентами разложения импульса анодного тока. Эти коэффициенты зависят только от угла отсечки анодного тока .

Как было показано выше, при выводе соотношения для полезная мощность, отдаваемая лампой, пропорциональна амплитуде I-й гармоники, т.е. коэффициенту:, т.е пропорционален отношению. Таким образом, КПД увеличивается по мере уменьшения угла отсечки , то время, как полезная мощность увеличивается до значения .

Для получения малого угла нужно увеличивать смещение и напряжение возбуждения , а так как остается неизменимым, то при уменьшении угла отсечки уменьшается коэффициент усилия лампы по напряжению, возрастает мощность, требуемая от возбудителя.

Таким образом, при выборе угла отсечкиследует прибегать к компромиссному решению. Обычно угол отсечки выбирают в пределах от до.

Анализ работы и режима работы транзисторного генератора с внешним возбуждением. Три режима работы транзисторного генератора

Две схемы ВЧ генераторов с внешним возбуждением - одна с биполярным, другая с полевым транзистором - приведены на рис. 7.18.

Как и в случае анализа работы лампового генератора (см. гл. 6), исследования транзисторного генератора проводится по плану, изложенному в подразд. 5.1 и состоящему:

в определении с помощью вольт-амперных характеристик прибора форм тока и напряжения на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

в определении с помощью вольт-амперных характеристик прибора форм тока и напряжения на его выходе при подаче на выход синусоидального сигнала;

расчете энергетических параметров генератора: выходной мощности 1-й гармоники , потребляемой мощности от источника постоянного тока и КПД генератора ;

определении мощности выходного сигнала и коэффициента усиления генератора по мощности ;

в построении динамических, нагрузочных, амплитудных и частотных характеристик (см. гл. 5).

Несмотря на разный физический характер процессов, протекающих в электровакуумном приборе, биполярном и полевом транзисторах, ввиду формального сходства их вольт-амперных характеристик (см. рис. 6.3, 7.4, 7.17) анализ выходной цепи во всех случаях в основных чертах совпадает. Так, в транзисторных генераторах, как и ламповых, возможно недонапряженный, граничный и перенапряженный режим работы, рассмотренные в горазд. 6.4. при внешнем сходстве этих режимов в трех типах генераторов следует знать разный физический механизм их протекания. При биполярном транзисторе динамическая характеристика располагается:

в случае недонапряженного и граничного режимов работы в двух областях - активной (2) и отсечки (1);

в случае перенапряженного режима работы в трех областях- отсечки (1), активной (2) и насыщения (3). При этом провал в импульсе коллекторного тока происходит по причине захода рабочей точки (координаты ) в область насыщения и перехода коллекторного перехода в открытое состояние.

В неподнапряженном и граничном режимах импульсы коллекторного тока при работе с отсечкой имеют косинусоидальную форму. При наличие только активной составляющей в нагрузке провал в импульсе располагается посредине, при добавлении к ней емкости - сдвигается влево, индуктивности - вправо.

В транзисторных генераторах с повышением частоты усиливаемого сигнала и приближении к граничной частоте уменьшается КПД и снижается выходная мощность .

Ухудшение данных параметров генератора связанно как с увеличением потерь в цепи коллектора при биполярном транзисторе (см. рис.7.13) или цепи стока или полевом транзисторе (см. рис. 7.16), так и с изменениями форм выходного тока и напряжения. В первом приближении это изменение параметров генератора можно учесть с помощью зависимости крутизны линии граничного режима от частоты (см. рис. 7.19).При этом вместо крутизныможно использовать обратный ее параметр - сопротивление насыщения:

.

В результате формула (6.39) по определению коэффициента использования напряжения питания в граничном режиме для транзисторного генератора примет вид

,

где в случае биполярного транзистора: - напряжению питания коллектора, коэффициент

в случае полевого транзистора: - напряжению питания стока, коэффициент

Имеется отличие и в определении угла отсечки. В ламповом генераторе анодно-сеточная характеристика, с помощью которой определяется угол отсечки, сдвинута влево. В биполярном транзисторе характеристика коллекторного тока, служащая для определения , сдвинута вправо.

Поэтому согласно косинус угла отсечки

,

где - напряжение отсечки; - внешнее смещение; - амплитуда входного ВЧ напряжения.

В полевом транзисторе при характеристике тока стока, выходящей из начало координат, значение = 0.

В остальном методика расчета выходной цепи транзисторных генераторов совпадает с методикой расчета анодной цепи лампового генератора, рассмотренной в подразд. 6.5.

Расчет входной цепи в трех типах генераторов значительно отличается друг от друга, что следует, в частности, из рассмотрения эквивалентных схем биполярного и полевого транзисторов. Поэтому остановимся на этом вопросе более подробно.

Ориентировочный расчет входной мощности генератора с биполярным транзистором при схеме с общим эмиттером. При открытом эмиттерном переходе ого сопротивление весьма мало, и поэтому можно принять активную составляющую входного сопротивления транзистора на высокой частоте: .

Согласно (7.17) коэффициент передачи тока при » или . Будем считать, что данное соотношение справедливо и для первых гармоник коллекторного и базового токов: . В результате для мощности входного сигнала при получим

Для коэффициента усиления биполярного транзистора по мощности при с учетом (7.27) имеем

Где - сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в коллекторной цепи.

Таким образом, согласно (7.28) коэффициент по мощности в генераторе с биполярным транзистором уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала.

Ориентировочный расчет входной мощности генератора с полевым транзистором при схеме с общим истоком. В высокочастотном диапазоне при согласно (7.23) амплитуда импульса тока стока по аналогии с ламповым генератором

где - амплитуда входного напряжения затвор-исток.

Из (7.29) для требуемой амплитуды входного напряжения получим

где - амплитуда 1-й гармоники тока стока;- коэффициент разложения косинусоидального импульса (6.18).

Для коэффициента усиления полевого транзистора по мощности при с учетом (7.30) имеем

где- сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в цепи стока; -входное сопротивление транзистора на частоте сигнала.

Согласно (7.31) в полевом транзисторе, как и в биполярном, коэффициенте усиления прибора по мощности уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала. Рассчитав с помощью (7.31) коэффициент усилия , можно определить требуемую мощность входного сигнала

Ключевой режим работы высокочастотного транзитного генератора

Помимо трех рассмотренных режимов работы ВЧ (недонапряженного, граничного и перенапряженного), в транзитных генераторах, работающих в диапазонах волн от сверхдлинных до метровых, применяется также ключевой режим. Особенностью ключевого режима является выполнение следующего условия для тока и напряжения ключевого элемента:

ламповый генератор схема

где - малое остаточное напряжение на замкнутом ключе; - момент переключения; T - период колебаний.

В качестве ключевого элемента используются транзисторы и тиристоры (кремневые управляемые винтили). Динамическая характеристика при ключевом режиме работы обусловливает работу транзистора только в двух областях - насыщения (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт) (см. рис. 7.8). Примеры диаграмм тока и напряжения в ключевом транзисторном генераторе приведены на рис. 7.22.

Следствие выполнения (7.32) является малая мощность, рассеиваемая в электронном ключе, поскольку согласно (5.2) имеем

При соответствующих формах тока и напряжения в ключевом генераторе можно получить высокий КПД, достигающий 90-95 % в диапазоне длинных волн.

Одна из таких схем, называется генератором инверторного типа,в схеме транзисторы - электронные ключи - включаются попеременно, замыкая электрическую цепь то на источнике , то на землю.

За счет подачи в противофазе прямоугольных импульсов на базы транзисторов половину периода ключ в схеме находится в положении 1, другую половину в положении 2. Напряжение на ключах имеет прямоугольную форму, а ток, протекающий через контур, при добротности близко к синусоиде, КПД такого ключевого генератора:

где - напряжение насыщения транзистора, в 10-20 раз меньшее.

Таким образом, малая мощность рассеивания в электронном приборе и высокий КПД = два значительных преимущества, реализуемые при ключевом режиме работы, особенно ощутимы при повышенной мощности ВЧ генератора.

Реализация ключевого режима работы возможна при времени переключения , что ограничивает его использование с повышение частоты сигнала. При нарушении условия (7.32) значительно возрастает мгновенная мощность в момент переключения (см. рис. 7.22), что неблагоприятно сказывается на ключевом элементе.

Ключевые генераторы гармонических колебаний находят широкое применение в радиопередатчиках диапазона длинных и сверхдлинных волн, мощность которых при использовании схем суммирования достигает нескольких киловатт.

Сравнительный анализ трех типов генераторов с внешним возбуждением: лампового, с биполярным и полевым транзисторами

Преимущества транзисторных генераторов перед ламповыми состоят:

в существенно большей долговечности (срок службы генераторных ламп обычно не превышает нескольких тысяч часов, транзисторов - сотен тысяч часов);

низком значении напряжения питания, которое обычно не превышает 30 В (у ламп это напряжение в зависимости от мощности составляет от нескольких сотен вольт до десятков киловольт);

практически мгновенной готовности к работе после подачи напряжения питания (у ламп требуется предварительное включение цепи накала);

высокая прочность по отношению к механическим перегрузкам;

в значительном снижении массы и габаритных размеров аппаратуры и возможности ее миниатюризации на основе интегральной технологии.

К недостаткам транзисторных генераторов относятся:

ограниченная мощность транзисторов и связанная с этим необходимость суммирования мощностей генераторов при повышенной мощности радиопередатчика;

необходимость поддержания определенного теплового режима, поскольку температура корпуса мощных транзисторов не должна превышать ;

чувствительность по отношению даже к весьма кратковременным нарушениям эксплуатационного режима по причине пробоя p-n-переходов, в связи, с чем требуется применение специальных схем защиты мощных транзисторов;

в низком коэффициенте усилия по мощности при приближении частоты усиливаемого сигнала к граночной частоте транзистора (обычно не более 3…6 дБ) и зависимости этого коэффициента от частоты согласно (7.28) и (7.31).

Обратим внимание на еще одно важное различие между двумя типами генераторов. Ламповые генераторы работают со сравнительно высокими напряжениями питания (в зависимости от мощности - от сотен вольт до десятков киловольт) и относительно малыми токами. Поэтому сопротивление анодной нагрузки в них превышает 1000 ОМ (см. пример подразд. 6.5). Транзисторные генераторы, напротив, работают при низких напряжениях питания (обычно не более 30 В) и с относительно большими токами. Поэтому в них сопротивление коллекторной или стоковой нагрузки составляет от нескольких до десятков Ом (см. пример подразд. 7.5). таким образом, ламповый генератор требует высокоомной нагрузки, транзисторный - низкоомной. Во втором случае можно обеспечить широкую полосу пропускания генератора.

Следовательно, еще одно преимущество транзисторных генераторов состоит в возможности получения относительно большой полосы пропускания, что имеет важное значение при создании широкополосных систем радиосвязи.

Благодаря несомненным преимуществам основное применение в современных радиопередатчиках при мощности не более нескольких сотен ватт находят транзисторные генераторы. Более того, с помощью способов суммирования сигналов это значение мощности может быть повышено на 2-3 порядка (см. гл. 14). И только в радиопередатчиках повышенной мощности. Например радиовещательных мощностью в несколько десятков и сотен киловатт, по-прежнему используются электровакуумные приборы.

Теперь между собой генераторы с биполярными и полевыми транзисторами. Преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярным состоят в следующем:

в большем коэффициенте усиления по мощности и меньшим коэффициентом шума в СВЧ диапазоне;

лучшей линейности амплитудной характеристики, что следует из сравнения статистических характеристик прибора;

лучшей температурой стабильности и радиационной стойкости.

Поэтому в СВЧ диапазоне, начиная с частоты 1…..2 ГГц, особенно при усилении многочастотных сигналов и необходимости обеспечения линейного режима работы все большее применение находят генераторы с полевыми транзисторами (см. гл. 9).

Расчет критического режима. Энергетический расчет

Расчет режима работы ГВВ на мощном генераторном тетроде ГУ. 44А при мощности P=60 кВт в критическом режиме. По данным расчета построить динамическую характеристику, проверить обеспечение режима по напряженности.

1.Выписываем из справочника основные и предельные параметры P=80кВт; f=32 МГц;

кВ; кВ; А;

Расчет выходной цепи:

Прием рабочее напряжение кВ.

Учитывая значительную мощность каскада, выбираем угол отсечки анодного тока .По данным прилож. 8 определяем значения коэффициентов разложения для :

По выходным характеристикам рис. 4.8,б определим соответствующее критическому режиму минимальное напряжение на аноде Примем

4.Определяем положение вершины динамической характеристики в критическом режиме, исходя из обеспечения требуемой мощности:

~

5.По вершинам ДХ на выходных (рис. 4.8,б)характеристиках определяем максимальное напряжение на управляющей сетке

6.Определяем постоянную составляющую анодного тока

7.Амплитуда первой гармоники анодного тока

8. Мощность, потребляемая от источника анодного питания,

9.Электронный КПД генератора ~

10.Амплитуда радиочастотного напряжения на НС

11.Коэффициент использования анодного напряжения

12.Обеспечивающее критический режим сопротивление нагрузочной системы Ом.

13.Рассеиваемая в виде тепла на аноде мощность ~=80-60=20 кВт<50 кВт, что допустимо.

Расчет входной цепи.

1.Амплитуда напряжения возбуждения В.

2.Определяем напряжение смещения В, где -напряжение запирания при кВ определяется по реальным характеристикам.

3.Определяем максимальность касное значение тока управляющей сетки по характеристикам рис.4.8,а для значений

4.Определяем угол отсечки тока управляющей сетки и коэффициенты разложения треугольного импульса cos

5.Определяем значения составляющих сеточного тока

6.Определяем мощность возбуждения

7.Мощность, рассеиваемая на управляющей сетке,

.

Расчет режима экранирующей сетки

1.Определяем максимальное значение тока экранирующей сетки для значений и по характеристикам рис. 4.8,а

2.Определяем постоянную составляющую тока экранирующей сетки, считая угол отсечки этого тока

3.Мощность, рассеиваемая на экранирующей сетке,

4.Проверяем по эмиссионному току

Определяем выходную мощность каскада где КПД, учитывающей потери в нагрузочной системе, ориентировочно может быть определен по данным прилож. 15 исходя из значений мощности каскада и рабочей частоты. Примем тогда

Проверяем выполнение режима по напряженности для генераторных тетродов. Критическому режиму соответствует отношение т.е. заданный режим выдержан.

Строим динамическую характеристику по данным расчета.

Методика расчета ВЧ генератора С биполярным транзистором

На основе проведенного анализа в подразд. 7.1-7.4 составим методику расчета электрического режима работы ВЧ генератора с биполярным транзистором в граничном режиме работы. Порядок расчета генератора будем сопровождать типовым примерам.

Исходные данные для расчета. Рабочая частота =300 МГц выходная мощность =20 Вт.

Выбор типа биполярного транзистора. Исходя из заданной мощности и частоты сигнала по справочнику выбираем тип транзистора. Останавливаемся на тетроде типа КТ925В, имеющим следующие предельно допустимые параметры;

импульсивное (пиковое) значение коллекторного тока 8,5 А;

постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме 3,3А;

пиковое значение напряжения коллектор-имиттер и коллектор база 36 В;

мощность , рассеиваемая коллектором, 25 В при ,тепловое сопротивление=4,4 град/ Вт.

Выбираем угол отсечки , для которого (см. Приложение);

По характеристикам прибора определяется;

крутизна линии граничного режима или Ом;

напряжение отсечки =0,7 В.

Выбираем граничный режим работы. Принимаем =15 В.

Сопротивление базы =1 Ом, сопротивление =0,5 Ом.

Расчет коллекторной цепи генератора.

Коэффициент использования коллекторного напряжения, определяем согласно (7.25):



Амплитуда коллекторного ВЧ напряжения:

В.

3. Пиковое значение напряжения коллектор-эмиттер;

4. Амплитуда 1-й гармоники коллекторного тока:

А

5. Амплитуда импульса коллекторного тока:

6. Постоянная составляющая коллекторного тока:

Вт.

7. Мощность, потребляемая по коллекторной цепи:

8. Мощность, рассеиваемая коллектором:



9. Коэффициент полезного действия :

%.

10. сопротивление наружной коллекторной цепи, необходимое для реализации рассчитанного режима работы:

Ом.

Размещено на www.allbest.ru