2.2. Перестройка вариометром

Схема контура показана на рис.10.10, где М - коэффициент взаимной индукции (взаимная индуктивность) катушек.

Индуктивность катушки контура при перестройке изменяется в пределах

,

где - максимальная взаимная индуктивность катушек вариометра.

Как и при перестройке катушкой со скользящим контактом, при перестройке вариометром ёмкость контура не изменяется:

Сопротивление потерь в катушке индуктивности контура изменяется с частотой по тому же закону, как и при ёмкостной перестройке, так как длина намотки провода катушек вариометра не меняется при перестройке, то есть

.

Следовательно, ненагруженное эквивалентное сопротивление контура

;

КПД контура при сохранении по диапазону перестройки контура

;

мощность в полезной нагрузке генератора

;

полоса пропускания контура

Как и при перестройке контура катушкой со скользящим контактом, полоса пропускания контура при перестройке вариометром остаётся неизменной по диапазону; ненагруженное эквивалентное сопротивление контура, КПД контура и мощность в полезной нагрузке генератора изменяются по диапазону, как и при перестройке контура катушкой со скользящим контактом, но с более резкой зависимостью от частоты (при перестройке катушкой со скользящим контактом зависимости связаны с частотой в степени 3/2, а при перестройке вариометром – в степени 5/2).

Вариометры обычно изготавливают в виде двух катушек с вращающейся или перемещающейся одной катушкой – ротором внутри другой катушки – статора. Взаимная индуктивность катушек вариометра изменяется путём вращения ротора или перемещения спирали, укреплённой на подвижной раме. Вариометры с вращающимся ротором имеют цилиндрическую или сферическую форму намотки, а с перемещающейся спиралью – плоскую. Коэффициент перекрытия по индуктивности

у вариометров невелик: порядка 3 на частотах до 1 МГц и 8…10 на более высоких частотах, но не выше 10 МГц. При дальнейшем повышении частоты между катушками вариометра заметной становится ёмкостная связь, ослабляющая результат магнитной связи, что уменьшает диапазон изменения индуктивности вариометра.

Достижимый коэффициент перекрытия по частоте контура при перестройке вариометром порядка 1,7 на низких частотах и порядка 3 в диапазоне частот (3…10) МГц.

3. Одновременная ёмкостная и индуктивная перестройка контура

Схема контура представлена на рис.10.11. Одновременная перестройка контура ёмкостью и индуктивностью позволяет существенно увеличить коэффициент перекрытия контура по частоте, равный в данном случае

,

где - соответственно коэффициент перекрытия по ёмкости и индуктивности.

Если при перестройке сопротивление потерь контура не изменяется:, а ёмкостьС и индуктивность L изменяются так, что характеристическое сопротивление контура остаётся постоянным:

то неизменным оказывается ненагруженное эквивалентное сопротивление контура:

Если при этом при перестройке по диапазону путём регулировки связи с полезной нагрузкой сохраняется постоянным нагруженное эквивалентное сопротивление контура, например, , то мощность в полезной нагрузке будет постоянной.

Одновременная перестройка контура ёмкостью и индуктивностью, учитывая необходимость регулировки связи полезной нагрузки с контуром, усложняет настройку контура.

Перестройка контура одновременным изменением ёмкости и индуктивности находит, в частности, применение в ГВВ – выходных каскадах радиопередатчиков с выходной мощностью (20…30) кВт в диапазоне частот (5…30) МГц.

Разбивка рабочего диапазона генератора на поддиапазоны

При перестройке параллельного контура изменением ёмкости С или индуктивности L изменяется его характеристическое сопротивление , что приводит в итоге к изменению КПД контура и мощности в полезной нагрузке генератора. При большом коэффициенте перекрытия диапазона изменение мощности в нагрузке может оказаться недопустимым. Неприемлемыми могут оказаться и другие характеристики генератора, например, низкое значение КПД анодной или коллекторной цепи. Кроме того, в радиопередатчиках требуемый коэффициент перекрытия диапазона часто существенно превышает достижимый коэффициент перекрытия контура по частоте при выбранном способе перестройки.

Если требуемый коэффициент перекрытия диапазона генератора > 1,7, на практике для поддержания относительного постоянства характеристического сопротивления контура  и соответственно нагрузки АЭ генератора широкий рабочий диапазон генератора разбивают на несколько (в генераторах радиопередатчиков обычно на три-шесть) частичных поддиапазонов и при переходе с одного поддиапазона на другой производится скачкообразное изменение ёмкости С или индуктивности L контура. Внутри каждого поддиапазона настройка контура осуществляется одним из рассмотренных выше способов: переменной ёмкостью или переменной индуктивностью. Использование перестройки контура одновременным изменением ёмкости и индуктивности, когда это возможно, позволяет сократить число поддиапазонов, а порой и избежать разбивки рабочего диапазона генератора на поддиапазоны.

Коэффициент перекрытия по частоте в поддиапазоне обычно лежит в пределах . Меньшие значения принимаются в мощных генераторах (до сотен кВт) и на низких частотах (примерно до 5 МГц), большие значения – в маломощных генераторах (до нескольких десятков кВт) и на высоких частотах (до 30 МГц).

Если коэффициенты перекрытия одинаковы во всех частичных поддиапазонах, то

,

где n - число поддиапазонов.

Следовательно,

.

Величину n, определяемую из последнего соотношения, округляют до большего целого числа и находят действительный коэффициент перекрытия поддиапазона

.

На практике обеспечивают примерно 5%-ное (не более) перекрытие границ поддиапазонов. Такой же запас делается на границах перекрываемого диапазона генератора.

Разбивка рабочего диапазона частот на поддиапазоны с одинаковым коэффициентом перекрытия считается менее удачным вариантом. В ГВВ радиопередатчиков предпочтение отдаётся варианту с разными значениями , выбираемыми в указанных выше пределах. При этом значение повышается с переходом на более высокочастотные поддиапазоны. Необходимый коэффициент перекрытия ёмкости или индуктивности контура равен , где - значение коэффициента перекрытия самого высокочастотного поддиапазона.

На рис.10.12 показаны возможные варианты контуров с переключением поддиапазонов.

В схеме (рис.10.12,а) переход от поддиапазона к поддиапазону сопровождается переключением ёмкости контура, при этом на самом верхнем (высокочастотном) поддиапазоне конденсатор контура может отсутствовать. Ёмкость контура в этом случае образуется выходной ёмкостью АЭ с добавлением монтажной ёмкости за счёт проводов, переключателя, межвитковой ёмкости катушки индуктивности (её рабочей части). На поддиапазонах I, II к этой ёмкости добавляется ёмкость соответствующего конденсатора или . В схемах (рис.10.12,б,в) переход от поддиапазона к поддиапазону осуществляется переключением индуктивности контура. На всех схемах показан включенным второй поддиапазон (II).

Согласование АЭ с нагрузкой в полосе частот

Часто требуется обеспечить согласование АЭ с полезной нагрузкой генератора не на одной частоте, пусть и изменяющейся в некотором диапазоне, а в полосе частот. ЦС в виде одиночного параллельного либо последовательного колебательного контура позволяют обеспечить полное согласование полезной нагрузки генератора с АЭ на одной частоте, совпадающей с резонансной частотой контура, и согласование с определённой погрешностью в полосе частот, практически не превышающей единиц процентов резонансной частоты контура. При больших полосах, соответствующих большим расстройкам относительно резонансной частоты контура, эквивалентное сопротивление контура резко уменьшается и приобретает явно выраженный реактивный характер.

Для согласования АЭ с нагрузкой в некоторой полосе частот применяются более сложные цепи. Одним из видов таких цепей являются системы связанных колебательных контуров. На рис.10.13 показана ЦС из двух связанных контуров. Подобные цепи позволяют обеспечить приемлемую степень согласования АЭ генератора с полезной нагрузкой в полосе частот до 15…30%. В таких ЦС практически полное согласование может быть обеспечено не на одной, а на двух частотах. При этом эквивалентное сопротивление системы получается чисто активным на трёх частотах.⁹

По сравнению с одиночным колебательным контуром система двух связанных колебательных контуров, помимо лучшего согласования, обеспечивает также более высокую степень фильтрации гармонических составляющих тока АЭ ГВВ. В силу этого ЦС в виде связанных контуров чаще используются в ГВВ – выходных каскадах радиопередатчиков.

Контур, в который включается полезная нагрузка генератора , называется нагрузочным контуром или контуром нагрузки. На рис.10.13 его параметры обозначены индексами 2. Контур, подключаемый к АЭ, носит название выходного контура. На рис.10.13 его параметры обозначены индексами 1. В ламповых ГВВ выходной контур называется также анодным контуром, а в транзисторных ГВВ – коллекторным контуром. Контуры, которые включаются между выходным и нагрузочным контурами, называются промежуточными.

Если оба контура (рис.10.13) настроены на одну частоту,¹⁰ то эквивалентное сопротивление системы связанных контуров для АЭ на резонансной частоте

, (10.30)

где р - коэффициент включения выходного контура; - характеристическое сопротивление выходного контура; - сопротивление потерь выходного контура; - вносимое сопротивление из нагрузочного контура в выходной; - сопротивление потерь нагрузочного контура; - активная составляющая сопротивления полезной нагрузки генератора; - сопротивление связи контуров, которое для представленного на рис.10.13 случая индуктивной (магнитной) связи равно , где - коэффициент взаимной индукции катушек контуров.

Выражение (10.30) может быть также представлено в следующем виде

,

где - нагруженная добротность выходного контура.

Как уже отмечалось, в ЦС из двух связанных контуров чисто активное сопротивление для АЭ может быть обеспечено на трёх частотах. Одна из частот совпадает с резонансной частотой контуров. Две другие носят название частот связи, соответственно, нижней и верхней. На резонансной частоте эквивалентное сопротивление ЦС определяется (10.30), а на частотах связи иначе. Изменяя величину сопротивления связи контуров , можно изменять величину вносимого в выходной контур активного сопротивления, а значит и величину эквивалентного сопротивления нагрузки АЭ. Как и в случае одиночного колебательного контура, эквивалентное сопротивление связанных контуров можно изменять также изменением коэффициента включения р и характеристического сопротивления выходного контура. Таким образом, применение систем связанных контуров открывает большие возможности в отношении регулировки эквивалентного сопротивления нагрузки АЭ, а также позволяет осуществить согласование АЭ с нагрузкой одновременно на нескольких частотах.

Следует отметить, что обеспечить полное согласование сопротивлений, соответственно и нужное сопротивление нагрузки АЭ, в некоторой полосе частот, даже весьма узкой, практически невозможно. При полном согласовании зависимость эквивалентного сопротивления нагруженной ЦС от частоты должна быть горизонтальной прямой в полосе частот. Но, в силу того, что сопротивления реактивных элементов L и С изменяются по разному с частотой: одно – прямо пропорционально частоте , а другое – обратно пропорционально частоте , получить такую зависимость и обеспечить полное согласование в интересующей полосе частот, какой бы малой она ни была, невозможно. Но возможно согласование в нужной полосе частот с определённой точностью, причём, весьма высокой.

Существуют теоретические ограничения на полосу согласования и качество его в ней, обеспечиваемые электрической цепью. Эти вопросы выходят за рамки настоящих лекций. Здесь мы только отметим, что, чем шире требуемая полоса согласования и выше требуемое качество согласования, тем больше в составе ЦС требуется реактивных элементов L и С (в пределе бесконечное число), а цепь по структуре оказывается системой большого числа связанных колебательных контуров. Однако, чем больше контуров, тем цепь сложнее в настройке, сложнее учесть взаимные связи между контурами, в силу неидеальности реактивных элементов уменьшается КПД ЦС из-за возрастания числа элементов. Поэтому на практике обычно ограничиваются системами двух – трёх связанных контуров. В отдельных случаях применяют цепи типа фильтров нижних частот (ФНЧ) или полосовых.

При использовании системы связанных контуров каждый контур характеризуется своим КПД.

КПД нагрузочного контура, определяемый как отношение колебательной мощности в полезной нагрузке ко всей колебательной мощности , поставляемой в этот контур:

,

где - мощность потерь в нагрузочном контуре, выделяемая на сопротивлении активных потерь контура .

КПД промежуточного контура, определяемый как отношение колебательной мощности , выделяемой на вносимом в контур активном сопротивлении , ко всей колебательной мощности , поставляемой в этот контур:

,

где - мощность потерь в промежуточном контуре, выделяемая на сопротивлении активных потерь контура .

Очевидно, если за промежуточным контуром непосредственно следует нагрузочный контур, то последний является полезной нагрузкой первого и, соответственно, .

КПД выходного контура, определяемый как отношение колебательной мощности , передаваемой, в общем случае, в промежуточный контур, то есть , и выделяемой на вносимом в контур активном сопротивлении , ко всей колебательной мощности , развиваемой генератором:

,

где - мощность потерь в выходном контуре, выделяемая на сопротивлении активных потерь контура .

При проектировании генератора задаётся мощность в полезной нагрузке . АЭ ГВВ должен выбираться, а режим его рассчитываться, на колебательную мощность с учётом всех потерь мощности, то есть

,

где n- число промежуточных контуров.

КПД каждого контура может быть определён как с использованием правых частей приведенных выше соотношений, так и с использованием выражения (10.21) для каждого контура. Чем выше КПД контура, тем добротнее должны быть его элементы, что, естественно, удорожает контур и генератор в целом. Поэтому высокое значение КПД контура стремятся реализовать там, где это необходимо. Как правило, высокие значения КПД контуров реализуют в мощных генераторах, где достигают значений .

В случае многоконтурной ЦС результирующий КПД генератора, определяемый как отношение колебательной мощности в полезной нагрузке генератора к потребляемой от источника питания выходной (анодной или коллекторной) цепи мощности :

.

Результирующий КПД генератора, как отмечалось, характеризует эффективность выбранного режима работы генератора и его согласующей цепи.

Следует отметить, что при использовании сложных согласующих цепей в виде системы связанных контуров целесообразно регулировать эквивалентное сопротивление нагрузки АЭ (10.30) изменением связи контуров,¹¹ что обусловливает изменение , нежели изменением коэффициента включения выходного контура р. При регулировке путём изменения р, как отмечалось ранее, получается проигрыш в КПД контура. В то же время в ряде случаев, особенно в транзисторных ГВВ, приходится специально применять неполное включение контура, хотя это и снижает КПД ЦС.

Определение номиналов элементов ЦС – колебательного контура. Требования к элементам колебательного контура

При разработке генератора обычно задана частота f, на которой он должен работать, или диапазон рабочих частот. В этих условиях значение одного из элементов контура: ёмкости С или индуктивности L может быть выбрано произвольно, а значение другого должно быть определено из условия резонанса:

где - круговая рабочая частота генератора, на которую настраивается контур (резонансная частота контура).

Для получения большего КПД контура желательно меньшее значение ёмкости контура, что приводит к большим значениям характеристического сопротивления контура  и его ненагруженного эквивалентного сопротивления . С другой стороны, слишком малая величина ёмкости контура нежелательна, так как возрастает влияние выходной ёмкости АЭ и монтажной ёмкости, которые, как отмечалось, входят в состав ёмкости контура. Выходная ёмкость АЭ зависит от режима его работы и не обладает стабильностью. Монтажная ёмкость, точное значение которой определить практически невозможно, также не обладает стабильностью по причинам возможного изменения взаимного расположения деталей генератора, климатических условий и др. Настроить контур, у которого ёмкость целиком определяется выходной ёмкостью АЭ и монтажной ёмкостью, сложнее, причём возможно использование только индуктивной настройки контура. Сложнее также осуществить связь контура с полезной нагрузкой генератора. Поэтому использование таких контуров, по возможности, желательно исключать.

Из сложившегося опыта, накопленного в процессе разработки различных ГВВ радиопередающих устройств, известно, что у контура возможно получение высокой добротности и близких к оптимальным размеров и стоимости, если ёмкость контура выбирается из соотношения

, (10.31)

где - рабочая длина волны генератора, в метрах.

Найденное значение ёмкости используется для выбора по справочнику или каталогу типовых конденсаторов, соответственно, постоянной или переменной ёмкости. При выборе конденсатора учитываются действующее на нём напряжение и ряд других параметров, о которых будет сказано ниже.

Соотношение (10.31) можно использовать, пока определяемое на основании его значение ёмкости контура существенно (в несколько раз) превышает выходную ёмкость АЭ.

Обратим внимание, что (10.31) определяет результирующую ёмкость, соответствующую контуру первого вида (рис.10.2,а), то есть полному включению контура. Если используется контур с неполным включением со стороны ёмкостной ветви, то каждая из составляющих ёмкостей , включенных последовательно (рис.10.2,в), по величине больше результирующей ёмкости контура (10.31). Соответственно, влияние выходной ёмкости АЭ на ёмкость контура будет меньше, так как выходная ёмкость АЭ подключается параллельно ёмкости большей величины (ёмкость на рис.10.2,в), чем результирующая ёмкость контура С. Чем меньше коэффициент включения контура р, тем больше различие емкостей , тем слабее будет влияние выходной ёмкости АЭ на настройку контура.

Когда определяемое (10.31) значение ёмкости контура оказывается сравнимым с выходной ёмкостью АЭ и даже меньше её, использование соотношения (10.31) становится неприемлемым. В этом случае величина ёмкости контура С принимается равной выходной ёмкости АЭ с добавлением монтажной ёмкости, величину которой в контурах с сосредоточенными параметрами на основании опыта часто принимают в пределах

С повышением рабочей частоты генератора уменьшается величина требуемой индуктивности контура L и может оказаться, что при индуктивность контура получается конструктивно невыполнимой. В этом случае реализуют контур третьего вида, одна из ветвей которого (ёмкость на схеме рис.10,2,в) формируется выходной ёмкостью

АЭ, а во вторую ветвь включается ёмкость такой величины, при которой требуемая индуктивность L контура оказывается конструктивно выполнимой. Результирующая ёмкость контура в этом случае

коэффициент включения контура

Принимать значение ёмкости контура обычно приходится на частотах от 30 МГц и выше. На этих частотах, в зависимости от мощности генератора, контур часто реализуют не на сосредоточенных параметрах, а на других принципах, которые будут рассмотрены в лекции 12.

На частотах ниже 1 МГц выходную ёмкость АЭ и монтажную ёмкость (естественно, при правильном конструировании генератора) практически можно не учитывать.

Когда ёмкость контура выбрана, определяют характеристическое сопротивление и индуктивность контура по формулам:

Существующие методы расчёта добротности контуров дают результаты, плохо согласующиеся с действительностью. Поэтому рекомендуется выбирать добротность контуров с учётом имеющихся опытных данных. В контурах с сосредоточенными параметрами, обычно При выборе добротности в этих пределах руководствуются следующими соображениями: активные потери в применяемых конденсаторах малы, поэтому добротность контура главным образом определяется добротностью катушки. Добротность катушки зависит от материала, сечения и длины провода намотки, количества и качества крепёжных деталей, размеров и качества экранирующего кожуха или шкафа. Получение катушки с большой добротностью связано с увеличением её размеров и затратой более дорогих материалов. Поэтому большие значения добротности катушки индуктивности контура следует принимать только для мощных генераторов. В маломощных генераторах, если нет каких-либо специальных соображений, добротность контура принимают меньше, естественно, проигрывая при этом в КПД контура. Однако, если устройство многокаскадное, то проигрыш в КПД в маломощном каскаде практически не сказывается на КПД всего устройства, определяемом мощным каскадом, который развивает наибольшую мощность, естественно, при наибольшем потреблении энергии. Поэтому даже незначительный выигрыш в КПД мощного генератора оказывается весьма заметным в абсолютном исчислении.

Выбрав ёмкость С и определив индуктивность L контура, следует рассчитать токи и напряжения, действующие на этих элементах. Если контур первого вида, то высокочастотное напряжение на элементах контура

где - колебательное напряжение на выходе АЭ, равное в ламповом ГВВ и в транзисторном ГВВ; - амплитуда высокочастотного напряжения на контуре.

Если используется контур с неполным включением (контур второго или третьего вида), то

где р - коэффициент включения контура.

Ток через ёмкость и индуктивность контура (контурный ток)

.

Найденные значения напряжения и тока используются для выбора по каталогу или справочнику типовых конденсаторов и для конструктивного расчёта катушки индуктивности. Конденсаторы должны выбираться из соответствующей группы, подходящей по диапазону рабочих частот, иметь требуемую величину ёмкости, выдерживать действующее на них напряжение и пропускать найденный ток.

Действующее на конденсаторе контура напряжение зависит от реализации схемы генератора.

На рис.10.14,а показана анодная цепь лампового ГВВ с включением контура по схеме рис.1.1,а, с которой мы начинали рассмотрение ГВВ. Очевидно, ничего не изменится в работе генератора, если элементы в анодной цепи генератора включить, как показано на рис.10.14,б. Однако, если в схеме рис.10.14,а на конденсаторе ёмкостью С действует только высокочастотное (колебательное) напряжение генератора, то в схеме рис.10.14,б на конденсаторе С действует высокочастотное (колебательное) напряжение генератора и постоянное напряжение источника анодного питания. Следовательно, при выборе конденсатора для схемы рис.10.14,а следует исходить из условия

а для схемы рис.10.14,б из условия

,

где - допустимое рабочее напряжение конденсатора, указанное в справочных данных.

Для некоторых типов конденсаторов вместо допустимого тока в справочных данных указывается допустимая реактивная мощность

где - соответственно, амплитуда переменного напряжения на конденсаторе и амплитуда тока через конденсатор; - величина сопротивления конденсатора .

При отсутствии одного конденсатора нужной ёмкости С, удовлетворяющего всем требованиям, необходимая ёмкость может быть сформирована путём последовательного, параллельного или комбинированного соединения нескольких конденсаторов, подходящих по рабочей частоте (диапазону частот). Конденсаторы выбираются с учётом действующих на них напряжений.

Катушки индуктивности не выпускаются типовыми, и найденные из расчёта контура ток и напряжение используются при разработке конструкции катушки: определение сечения провода и шага намотки, способа крепления витков и др.

При использовании ЦС в виде связанных контуров дополнительно требуется произвести расчёт связи, например, исходя из обеспечения нужного сопротивления нагрузки R_oe (10.30).