3642 РАСЧЕТ ГЕНЕРАТОРА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1. Введение

 

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) относится к  классу усилителей высокой частоты (ВЧ). В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ, ГВВ имеет дело с большими уровнями сигналов, действующих на его входе и выходе, и работает как в линейном, так и в нелинейном режимах. В этой связи ГВВ принято характеризовать рядом энергетических показателей. К ним относятся выходная колебательная мощность Р~, мощность, потребляемая от источника питания Р0, мощность рассеяния по выходному электроду Ррас, коэффициент полезного действия (КПД) по выходному электроду h0, коэффициент усиления по мощности Кр и ряд других. Качество генератора во многом зависит от уровня достигнутого КПД и Кр при заданном уровне выходной мощности. Поэтому ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразование энергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемое внешним высокочастотным сигналом. Этим объясняется  название – генератор.

В настоящее время разработано много инженерных методик расчета ГВВ на заданную колебательную мощность [1, 2, 3]. Каждой из них присущ свой подход к расчету, но ни одна не претендует на абсолютную точность.

Целью данных указаний являются ознакомление студентов с инженерными подходами к разработке ГВВ и изучение одной из методик расчета. В процессе выполнения заданий студентам предлагается ответить на пять вопросов, затрагивающих основные подходы к проектированию ГВВ, получить допуск к расчету и далее рассчитать свой вариант ГВВ с контролем некоторых промежуточных данных.

В качестве базовой методики в заданиях используется методика расчета ГВВ, изложенная в [3] и приведенная в методических указаниях. Для лучшего усвоения материала расчет осуществляется студентами самостоятельно без применения ЭВМ.

 

2. Полупроводниковые и ламповые

генераторы с внешним возбуждением

 

В диапазонах ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ широкое применение при создании ГВВ находят различные типы транзисторов и ламп. Верхняя частотная граница их применения достигает в настоящее время величины порядка 15 ГГц и имеет тенденцию к дальнейшему расширению. ГВВ, выполненные на лампах или транзисторах, имеют много общих признаков, так как решают задачу получения требуемой мощности ВЧ колебаний в нагрузке.

Вместе с тем  ламповые и транзисторные ГВВ обладают рядом существенных отличий, о которых необходимо помнить при разработке. Причина этого кроется в различии физических процессов, протекающих в указанных типах активных элементов (АЭ). Такой АЭ, как лампа (триод, тетрод, пентод), имеет высокий уровень анодного питания, относительно малую величину крутизны проходных характеристик, большие уровни внутреннего и входного сопротивлений. Для получения от лампы ее номинальной мощности требуется высокоомная анодная нагрузка. В отличие от транзисторов проходные характеристики у ламп левые (рис. 1). Если максимальное напряжение на сетке остается меньшим или равным нулю:

ес макс = Есм + Um вх < 0,

то ток управляющего электрода будет представлен только током через емкость сетка-катод (Сск), а активная составляющая входного сопротивления лампы, соответственно, равна бесконечности. При превышении ес макс нуля появляется конечная величина активной составляющей входного сопротивления, но она остается достаточно высокой. По этой причине возбуждение лампового ГВВ проще реализовать от источника напряжения, что и выполняется на практике.

Транзисторы, в отличие от ламп, являются токовыми приборами. Они имеют большую величину крутизны входной и проходной характеристик, низковольтное напряжение источника коллекторного питания и требуют низкоомную коллекторную нагрузку для отбора номинальной мощности. Проходная характеристика биполярных транзисторов – правая (рис. 2). Так как в области средних и высоких частот коэффициент усиления по току транзистора существенно ниже, чем в области низких частот, и базовый ток сравним по величине с коллекторным током, входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером получается низкоомным и его возбуждение удобнее реализовать от источника тока.

3. Режимы работы генератора с внешним возбуждением

 

В ГВВ с избирательными цепями согласования можно реализовать три возможных режима работы: недонапряженный, критический и перенапряженный. Если напряжение источников питания, смещения и амплитуды возбуждения неизменно, то требуемый режим работы ГВВ достигается подбором нагрузки Rэ по выходному электроду. Чтобы разобраться в особенностях работы ГВВ и его активного элемента в перечисленных выше режимах,  целесообразно рассмотреть влияние изменения нагрузки Rэ на величину и форму импульсов тока выходного и входного электродов и содержание в них первой гармоники и постоянной составляющей. Для простоты рассмотрения будем полагать, что напряжение смещения Есм взято равным напряжению отсечки . При этом условии угол отсечки q выходных импульсов будет неизменным при любых значениях сопротивления нагрузки Rэ и равен . В качестве АЭ ГВВ воспользуемся прибором с малой проницаемостью, например пентодом. Последнее не является принципиальным.

На рис. 3,а показаны статические выходные характеристики пентода и динамические характеристики ГВВ при разных значениях сопротивления анодной нагрузки. Поскольку ес1 = Есм + Um вх неизменно, то левый конец динамической характеристики при изменении Rэ от 0 до Rэ кр как бы скользит по статической характеристике, снятой при ес макс = Есм + Um вх . Форма  анодных импульсов при этом не меняется, а высота ia макс уменьшается незначительно (рис. 3,б). Аналогично  ведут cебя первая гармоника анодного тока Im1 = a1ia макс и постоянная составляющая I0 = a0ia макс (рис. 3,в). Вместе с тем амплитуда анодного напряжения, равная Uma = Im1RЭ, почти линейно растет по мере увеличения нагрузки (рис. 3,г). Режим работы ГВВ во всем интервале изменения Rэ [0, Rэ кр] остается недонапряженным и только при  Rэ = Rэ кр становится критическим.

При дальнейшем увеличении сопротивления нагрузки (когда оно становится больше Rэ кр) режим работы ГВВ  будет перенапряженным. В АЭ начинает осуществляться перераспределение  тока между выходным электродом и другими электродами (базой, сеткой, экранной сеткой и т.д.). В пентодах перераспределение приводит прежде всего к увеличению тока экранной сетки и, частично, управляющей сетки; в ламповых триодах и биполярных транзисторах – к увеличению тока управляющего электрода. В импульсной последовательности

тока выходного электрода происходят существенные изменения     (рис. 4,а,б). Прежде всего уменьшается высота импульсов и изменяется их форма. В центре импульсов появляется провал. Это приводит к уменьшению первой гармоники и постоянной составляющей тока выходного электрода (рис. 4,в). В импульсной токовой последовательности управляющего электрода наблюдается увеличение высоты импульсов и, соответственно, первой гармоники входного тока. В результате снижаются усилительные свойства АЭ  ГВВ, т.е. Кр.

Вместе  с тем в перенапряженном режиме остается высокой и мало меняется амплитуда переменного напряжения на выходе        (рис. 4,г).

Рассмотренные особенности работы ГВВ в области недонапряженного (ННР) и перенапряженного (ПНР) режимов позволяют сделать следующее заключение: в области ННР АЭ ГВВ ведет себя как источник тока, а в области ПНР – как источник напряжения.

Представляет интерес рассмотреть зависимости основных энергетических показателей ГВВ от сопротивления нагрузки Rэ. К ним прежде всего относятся:

колебательная мощность

,

потребляемая от источника питания мощность

,

мощность рассеяния на выходном электроде

,

электронный КПД

,

мощность, требуемая для возбуждения АЭ ГВВ,

,

коэффициент усиления по мощности

.

Графики этих зависимостей показаны на рис. 5,а,б. Как видно из рисунков, наиболее оптимальным следует признать критический режим работы ГВВ. В этом режиме АЭ ГВВ отдает максимальную мощность, имеет малую мощность рассеяния на выходном электроде и достаточно высокие h0 и Кр. В области ННР увеличивается  Ррас и падает h0, в области ПНР при сохранении высокого h0 уменьшаются P~ и Кр. В связи с указанными недостатками недонапряженный и перенапряженный режимы менее предпочтительны в сравнении с критическим режимом ГВВ.

4. Влияние амплитуды возбуждающего напряжения (тока),

напряжений питания и смещения на амплитуду

выходного напряжения и колебательную мощность

 

Необходимость управления амплитудой выходного напряжения Um вых и мощностью Р~ ГВВ достаточно часто встречается на практике. В частности, с этой задачей сталкиваются при осуществлении амплитудной модуляции, усилении однополосного сигнала, решении задач автоматического регулирования выходной мощности, разработке систем стабилизации мощностей колебаний и в целом ряде других случаев.

Регулировку  Um вых и Р~ в ГВВ можно осуществить за счет изменения амплитуды возбуждающего напряжения (тока)  Um вх, напряжения смещения Есм, напряжения источника питания выходного электрода Еп. В пентодах регулировка  Um вых и Р~ возможна также за счет изменения питания экранной и защитной сеток. Принципиально возможна также комбинация перечисленных способов. Выбор того или другого способа регулирования зависит от характера решаемой задачи. Однако следует помнить, что каждый из перечисленных способов управления выходными амплитудой напряжения и мощностью эффективен только при сохранении определенного режима работы ГВВ. Мы ограничимся случаем, когда меняется только один параметр управления ГВВ, а все остальные остаются неизменными. Иначе говоря, рассмотрим зависимости:

,  при Есм, Еп, Rэ – const,

,  при Um вх, Еп, Rэ – const,

,  при Um вх, Есм, Rэ – const.

Все эти зависимости можно получить путем преобразования основного уравнения ГВВ [1].

Чтобы сделать исходную привязку, реализуем критический режим работы ГВВ на биполярном транзисторе с Есм =  и напряжением питания Еп = Еп ном. Далее будем последовательно менять сначала Um вх, потом Есм и затем Еп. Построив указанные выше зависимости, мы получим ответ на интересующий нас вопрос: какой режим следует поддерживать в ГВВ, чтобы эффективно управлять Um вых и Р~. Теоретические графики зависимостей представлены на рис. 6, 7, 8.

На рис. 6, 7 видно, что в области перенапряженного режима управлять мощностью и выходной амплитудой лучше всего изменением напряжения источника питания (рис. 8).

Регулировка мощности с помощью нагрузки была рассмотрена в предыдущем разделе.

Данный материал позволяет легко ответить на вопрос: какой режим работы ГВВ необходимо обеспечить при различных способах осуществления амплитудной модуляции, усилении амплитудно-модулированного (АМ) и однополосного (ОП) сигналов. Как видно из рисунков, для усиления АМ и ОП сигналов необходим недонапряженный режим работы ГВВ. Тот же режим ГВВ требуется для осуществления амплитудной модуляции смещением. Для выполнения анодной (коллекторной) амплитудной модуляции необходим перенапряженный режим ГВВ.

Особое место занимает анодно-экранная амплитудная модуляция ГВВ. Она относится к разряду комбинированной и выполняется на тетродах и пентодах. Напряжение питания на аноде и экранной сетке в процессе модуляции изменяется синфазно, что позволяет поддерживать неизменным режим работы генератора: близким к критическому. Аналогичный принцип заложен и в других видах комбинированной АМ.

Необходимо также отметить следующее. При усилении АМ и ОП сигналов спектр сигнала на входе и выходе ГВВ должен быть одинаковым. Это позволяет использовать в ГВВ линейный класс работы активного элемента. При осуществлении в ГВВ амплитудной модуляции происходит изменение спектра сигнала. По этой причине в ГВВ с АМ должен использоваться нелинейный класс работы активного элемента.

 

5. О выборе угла отсечки тока выходного электрода

 

При энергетическом расчете ГВВ в критическом режиме на данную мощность одним из параметров, которым приходится задаваться, является угол отсечки q. Его значение можно выбирать из интервала от нуля до p. Однако при разных значениях q получаются различными такие важные характеристики ГВВ, как электронный КПД h0, коэффициент усиления по мощности Кр, насыщенность выходного  тока высшими гармониками и ряд других.

Известно [1], что усилительные свойства АЭ наиболее высоки в кл. А. При выборе q из интервала 120-180 ° усилительные свойства АЭ уменьшаются, но незначительно. Однако электронный КПД ГВВ получается при этом невысоким и лишь немного превышает 50 %. При выборе q < 120 начинает расти требуемая амплитуда напряжения возбуждения (рис. 9) и заметно снижается коэффициент усиления по мощности. Одновременно увеличивается вес высших гармоник в импульсной последовательности  выходного тока. Максимум амплитуды второй гармоники наблюдается при q = 60 °, а третьей – при q = 40 °. Изменение веса третьей гармоники имеет колебательный характер, и при q = 90 ° ее вес равен нулю. Одновременно с уменьшением q наблюдается рост электронного КПД  (рис. 10). Максимум его получается при углах q порядка 50 – 60 °, а затем идет резкое снижение.           При q < 90 ° начинает быстро убывать Кр и увеличивается требуемая мощность возбуждения (рис. 10).

Разработчику приходится искать компромиссное решение, при котором можно получить приемлемые усилительные свойства АЭ и достаточно высокий КПД. Это компромиссное решение получается при выборе q в окрестностях 90 °. При этом КПД становится близким к максимальному, Кр уменьшается всего лишь в два раза в сравнении с максимально возможным. Кроме того, минимизируется третья гармоника тока выходного электрода.

 

6. Энергетический расчет ГВВ

в критическом режиме на заданную мощность

 

Энергетический расчет проводится по методике, изложенной в [3].

Датчик случайных чисел ЭВМ каждому студенту выдает свой вариант задания с указанием технических характеристик и типа транзистора. Параметры транзисторов, необходимые для выполнения расчетов, приведены  в таблице. Расчет проводится без применения ЭВМ. После расчета коллекторной цепи ГВВ ЭВМ осуществляет промежуточный контроль данных и дает необходимые указания по коррекции выполненной работы. После завершения расчетов студенту сообщается итоговый результат его работы над упражнением.

В упражнении используется расчет ГВВ с включением транзистора по схеме с общим эмиттером. Один из возможных вариантов реализации такого ГВВ показан на рис. 11. Элементы цепи согласования в данном упражнении не рассчитываются, так как являются предметом изучения следующего упражнения.

Методика и последовательность расчета

 

1. Предварительная оценка ожидаемого Кр:

,

где fтип – частота типового режима, Кр (тип) – коэффициент усиления по мощности в типовом режиме, приведенные в таблице.

2. Сопротивление потерь коллектора транзистора в параллельном эквиваленте [3, рис. 3.3]:

.

3. Коэффициент использования коллекторного напряжения:



 
стабилизаторов напряжения серии. Максимальная мощность кВтТип. Генератор электричества вырабатывает