-О о-

43 о-

Рис. 2.3. Схема транзисторного усилителя мощности

тронный КПД) л = PjPo = 0,5[(/ bJ/(7,o£o)] и коэффициент усиления по мощности =Р,/Р, ={I UJ/{Ip). Из приведенных соотношений видно, что Кр и Т1 определяются гармоническими составляющими токов транзистора, которые, в свою очередь, являются функциями углов отсечки. Графики зависимости коэффициентов разложения ко-синусоидального импульса а, а, aj, а, aja от угла отсечки Э приведены на рис. 2.4.

Из графиков видно, что для каждой гармоники существуют оптимальные углы отсечки, при которых их содержание в импульсах максимально. Максимум полезной мощности соответствует выражению Эопт 1207л. Для первой гармоники п = 1 и 9ог,т *120°, для второй (л = 2) - соответственно Эопт ~ 60° и т.д.

Амплитуда тока п-й гармоники всегда меньше амплитуды тока гармоники более низкого порядка. Следует также отметить, что при Э = 90° коэффициент аз = О , т.е. в спектре тока отсутствует третья и все нечетные гармоники выше третьей.

Эффективность преобразования энергии источника Eg в энергию радиочастотных колебаний количественно оценивают электронным КПД (лз). Если 1,0 а 1 =С то = a,Uj{a,E,), где aja.

о, 1, аг, аз, ai/ao

OA 0,3 0,2 0,1 О

30 60 90 120 e, град Рис. 2.4. Зависимость коэффициентов разложения от угла отсечки

Рис. 2.5. Недонапряженный (а, б), критический (в) и перенапряженный (в) режимы работы лампы

называется коэффициентом формы импульса тока, UjE - коэффициентом использования коллекторного (анодного) напряжения.

Как видно из графика, при О < Э < 120° полезная мощность падает с уменьшением Э, а Лэ растет (штриховая линия на рис. 2.4), достигая своего максимума (при заданном /33J при Э = 0. Однако такой режим не имеет физического смысла, так как и принимают нулевые значения. На практике выбирают Э = 90°. При этом полезная мощность меньше максимально возможной на 7 %, а выше почти в 1,2 раза (ц =73 %). Более высокое значение можно получить в транзисторных ГВВ, работающих в ключевом режиме, когда импульс тока формируется в состоянии насыщения транзистора. Это повышает надежность работы схемы, так как при заданной генерируемой мощности потери в транзисторе минимальны; параметры транзистора мало влияют на генерируемую мощность; упрощается настройка генератора в производстве. Следует заметить, что форму импульса анодного тока могут искажать сеточные токи, так как при низком анодном напряжении, когда напряжение на сетке положительно, значительная часть общего катодного тока может ответвляться на сетку. Степень влияния сеточного тока характеризует напряженность режима работы генератора. По напряженности различают три режима работы: недонапряженный режим, характеризующийся остроконечной формой импульса анодного тока; критический режим, когда импульс анодного тока несколько усечен в верхней части, и перенапряженный режим, при котором возникает провал на вершине импульса анодного тока (рис. 2.5).

Напряженность режима в значительной мере определяется величиной нагрузочного сопротивления (эквивалентным сопротивлением контура R3), так как от него зависит напряжение на аноде лампы. Зависимости мощностей и КПД анодной цепи от сопротивления нагрузки выражаются нагрузочными характеристиками (рис. 2,6), Колебательная мощность в контуре Р. = JJ- максимальна в критическом режиме (R, =экр)- недонапряженном режиме напряжение на кон-

э кр

Рис. 2.6. Зависимость мощности и КПД оконечного каскада от сопротивления нагрузки

туре и мало, так как сопротивление контура R3 невелико. В области перенапряженного режима в импульсах анодного тока появля- . ются провалы, что приводит к уменьшению первой гармоники тока j3,.

Из характеристик также видно, что при возрастании сопротивления нагрузки потребляемая мощность Рд уменьшается. Однако в области недонапряженного режима это уменьшение незначительно, так как форма импульса анодного тока почти не изменяется. При увеличении сопротивления в перенапряженном режиме подводимая мощность резко уменьшается вследствие появления провала в импульсах анодного тока и соответственного уменьшения постоянной составляющей анодного питания.

Мощность рассеяния на аноде представляет собой разность подводимой и колебательной мощностей. В области недонапряженного режима рассеиваемая мощность может быть настолько велика, что анод лампы расплавится. Это, в частности, происходит, если выключить задающий генератор при работе усилителя мощности в режиме с малым углом отсечки.

Генерирование высокочастотных колебаний. Рассмотренный выше генератор требует для свой работы внешнее возбуждение.

Вместе с тем существует класс колебаний, возникновение которых не связано с каким-либо внешним воздействием. Они появляются как бы сами собой в специальных устройствах, имеют вполне определенную форму, параметры, свои особенности. Разумеется, из ничего эти колебания появиться не могут. Для их возникновения необходимы определенные условия, причины; о них будем говорить позже. Сейчас же обратим внимание на то, что колебания формируются самостоятельно, без постороннего воздействия. Такие колебания называются автоколебаниями, а устройства, их порождающие, - автогенераторами, которые далее будем называть просто генераторами.

Определим те предпосылки, которые необходимы для самопроизвольного возникновения автоколебаний. Для этого обратимся к обычному параллельному колебательному LC-контуру. Если контур подвергнуть кратковременному воздействию (например, импульсному), в нем возникнут электрические колебания, меняющиеся по синусоидальному закону. Из электротехники известно, что колебательный процесс в контуре не может продолжаться бесконечно долго, рано

2 к 1

Рис. 2.7. К вопросу колебаний в LC-контуре

или поздно он затухнет. Причина затухания тоже известна; из-за потерь в контуре энергия колебания непрерывно уменьшается, рассеивается. В конечном итоге колебание уменьшится до нуля.

Значит, для того чтобы колебание не исчезло, необходимо постоянно пополнять рассеиваемую энергию. Поскольку в контуре отсутствует источник энергии, придется это делать за счет внешнего

источника. В качестве него можно взять источник постоянного напряжения или тока.

Обратимся к схеме рис. 2.7. Если в отсутствие в LC-контуре колебаний ключ К перевести в положение 2, конденсатор С зарядится до напряжения источника Е, получив некоторое количество энергии. При переводе ключа в положение 1 в контуре возникнут свободные колебания. Чтобы колебания не затухали (из-за наличия сопротивления потерь R ), будем периодически в такт с колебательным процессом подключать конденсатор С к источнику Е. В результате конденсатор будет постоянно порциями подзаряжаться от источника, пополняя свою энергию. За счет этого колебания в контуре станут незатухающими. Для поддержания в контуре колебаний необходимо синхронное с ними переключение ключа К. Для этого необходима цепь управления (цепь обратной связи), передающая соответствующие команды на переключения. Очевидно, источником команд должен быть сам контур, который определяет периодичность колебаний с частотой

= i/Vlc.

VT 3

и. Lr

Рассмотренная простейшая схема может считаться моделью автогенератора гармонических колебаний. Практическая реализация этой модели представлена схемой на рис. 2.8. Частотно-задающим звеном является LC-контур, источником энергии - источник постоянного напряжения Е, включенный в цепь стока полевого транзистора VT. Роль ключа К выполняет затвор транзистора. Напряжение на затворе управляет током стока I. Переменная составляющая этого тока пополняет энергию контура. Обратная связь обеспечивается катушкой связи L, индуктивно связанной с катушкой контура L. Степень обратной связи определяется, таким образом, коэффи-

-о о-

Рис. 2.8. Схема автогенератора

циентом взаимоиндукции М. Транзистор не только выполняет функцию кпюча К, но и помогает обратной связи, обеспечивая за счет своего усиления поступление в контур необходимых порций энергии. Дополнительный источник Е в цепи затвора играет вспомогательную роль, устанавливая, как увидим далее, необходимый режим работы транзистора.

Таким образом, все необходимые для генерации элементы, определяемые моделью генератора (см. рис. 2.7), находим в принципиальной схеме рис, 2,8. Однако для генерации колебаний необходимо еще выполнить определенные условия, которые нужны, во-первых, для появления колебаний (баланс фаз) и, во-вторых, для поддержания возникших колебаний с определенной амплитудой и частотой (баланс амплитуд).

Вначале рассмотрим физическую картину самовозбуждения.

Естественно, в генераторе, как, впрочем, и в любой схеме и цепи, колебания из ничего появиться не могут. Необходим какой-то толчок изнутри или снаружи. Таким внутренним толчком могут быть флуктуации напряжения или тока, вызванные тепловым движением носителей зарядов (электронов, ионов). Эти флуктуации очень малы по интенсивности, но при определенных условиях могут стать источником упорядоченных колебаний.

Рассмотрим более простую ситуацию, связанную с появлением тока в момент включения источника напряжения Е. При появлении тока стока I конденсатор контура С зарядится и в контуре начнутся свободные затухающие колебания. Переменный ток , проходящий по катушке L, за счет взаимоиндукции вызывает появление переменного напряжения на катушке связи L. Это напряжение, приложенное к затвору, вызывает пульсацию тока стока. В нем содержится переменная составляющая, которая создает на контуре переменное напряжение и. Фактически напряжение является усиленным транзистором переменным напряжением затвора. Частота напряжения на затворе равна частоте собственных колебаний контура. Следовательно, и переменная составляющая тока стока имеет ту же частоту. Поэтому в контуре автоматически всегда будет резонанс токов и LC-контур для переменной составляющей тока стока представляет большое резистивное сопротивление R.

Для самовозбуждения обратная связь должна быть достаточно большой, иначе переменное напряжение на затворе вызовет слишком малую переменную составляющую тока стока, энергия которой окажется недостаточной для компенсации потерь в контуре.

В принципе генератор похож на усилитель. Колебания, возникающие в контуре, с помощью обратной связи подаются на вход усилительного элемента (в данном случае транзистора), усиливаются им и выделяются

на контуре, далее вновь поступают на вход транзистора, снова усиливаются и т.д. Амплитуда колебаний возрастает и доходит до определенного предела. По сути генератор является усилителем собственных колебаний контура. По этой причине (если выполняются условия самовозбуждения) любой усилитель может превратиться в генератор. Например, микрофонный усилитель становится генератором звуковых колебаний, если из-за неудачной акустики помещения или плохой экранировки цепей возникают каналы акустической или электрической обратной связи, приводящие к самовозбуждению усилителя. В данном случае обратная связь играет вредную роль.

Теперь рассмотрим условия поддержания уже возникших колебаний, характерных для стационарного режима генератора, - колебаний с постоянной амплитудой и частотой. На рис. 2.9 показаны диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы генератора (см. рис. 2.8). Причем в них учитываются только переменные составляющие, ибо только они играют определяющую роль в развитии процесса. Постоянные составляющие во внимание принимать не будем.

За исходное колебание возьмем ток , протекающий в индуктивной ветви LC-контура (а). За счет тока в катушке обратной связи наводится ЭДС Е , являющаяся одновременно входным напряжением (Уз транзистора (б). Электродвижущая сила Е связана с током простым соотношением Е =±Mdi/dt. Знак + или - в этом соотношении зависит от того, как намотаны и связаны между собой катушки L и L. В любом случае ЭДС Е сдвинута относительно тока на 90°, т.е. представляет собой косинусоидальное колебание. Однако будет ли Е опережать ток или отставать от него, зависит в соответствии с вышеприведенной формулой от того, как включены концы одной из катушек.

В нашем случае Е опережает по фазе ток на 90° (сплошная линия). Входное напряжение

= Е вызывает изменение тока стока I в той же фазе (в). Ток / соз-

ШШ ,

дашь

ХШШ) .

Рис, 2,9, Диаграммы напряжений в автогенераторе