1.6.2.Мостовые усилители мощности

Если число генераторов равно двум, то для сложения их мощностей обычно используется мостовое устройство, являющееся частным случаем многополюсного сумматора. На основе мостового устройства можно разработать многополюсную схему, предназначенную для сложения сигналов большого числа генераторов. При этом предполагается, что все генераторы являются равноамплитудными в зависимости от соотношения фаз генераторов, колебания которых суммируются, различают мосты синфазные, противофазные и квадратурные. Последние используются в основном на СВЧ, когда в них создается сдвиг фаз между колебаниями двух генераторов, равный 90⁰. при таком сдвиге фаз связь между генераторами резко снижается. Следовательно, квадратурные мосты обеспечивают лучшую развязку, чем синфазные.

Мостовые схемы сумматоров могут быть узкополосными широкополосными с сосредоточенными на частотах, соответствующих КВ и СВ, и распределенными параметрами на УКВ и СВЧ.

Обычный мост, составленный из четырех плеч, имеет ряд недостатков: генератор должны иметь неодинаковые амплитуды генерируемых ими ЭДС, выход одного генератора должен быть симметричным, а другого – несимметричным и др. Поэтому этот мост практически не используется. Зато получил широкое распространение трехплечный Т-образный мост, схема которого приведена на рис. 6.2, свободный от недостатков четырехплечного. Схема Т-образного моста с сосредоточенными параметрами содержит два активных сопротивления: нагрузочное R_н и балластное R_б, все другие элементы схемы - реактивные, и потери в них чрезвычайно малы. Плечи моста образованы тремя элементами: С1, С2 и L1. При соответствующем подборе элементов моста, например, при ωL1 = 1/ωC1 = 1/ ωC2 = R_н и ωL2 = R_б = 2R_н обеспечивается его баланс, и генераторы e1(t) и e2(t) работают независимо друг от друга, причем для каждого из них мост представляет собой чисто активное сопротивление. Напряжение. Напряжение, падающее на общей индуктивности L1 в результате протекания тока двух последовательных резонансов в контурах L1, C1 и L1, C2, питает нагрузку R_н, в которой и происходит суммирование мощностей. Так как колебания генераторов e1(t) и e2(t) синфазны и равноамплитудны, а схема Т-образного моста симметрична, то напряжения, падающие на конденсаторах С1 и С2, имеют встречную полярность и равны по величине. Поэтому результирующее напряжение между точками А и В равно нулю. Следовательно, генераторы e1(t) и e2(t) развязаны, а параллельный контур из элементов, состоящий из С1, С2, L2, не получая возбуждения, остается пассивным, и колебаний в нем нет, когда включены оба генератора.

При выключении, например, генератора e2(t) параллельный контур становится контуром неполного включения третьего вида с точками питания AD и получает возбуждение напряжением, снимаемым с конденсатора С1 и, конечно, резонирует. Напряжение, выделяющееся на индуктивности L2, создает ток в балластном резисторе R_б. эквивалентное сопротивление параллельного контура третьего вида R_ое3 с учетом сопротивления R_б равно 2R_н. При этом режим генератора по напряженности остается прежним, и он генерирует ту же мощность, однако половина этой мощности бесполезно теряется главным образом в балластном сопротивлении R_б. В полезной нагрузке R_н выделяется лишь четвертая часть той мощности, которая была при работе двух генераторов.

При исключении одного из двух параллельно работающих генераторов требуется увеличение сопротивления нагрузки для оставшегося генератора в два раза. При этом мощность в нагрузке уменьшается в два раза. Объясняется это тем, что при обычном параллельном включении вся контурная нагрузка является полезной, в схеме нет R_б.

Схемы, приведенные на рис. 6.3, – это тоже модификации Т-образного моста. Они получаются из схемы, показанной на рис. 6.2 в результате замены в ней конденсаторов С1 и С2 индуктивностями, а индуктивностей L1 и L2 – емкостями. Соотношения между сопротивлениями справедливы для режимов, как сложения, так и деления мощностей. Различие состоит в следующем. В режиме сложения под R₀ понимается оптимальное сопротивление генератора, мощность которого подлежит делению. Этот генератор включается вместо R₀, а поделенная мощность снимается с точек включения e1(t) и e2(t). Схемы имеют фиксированный коэффициент трансформации.

Схемы, приведенные на рис. 6.4, – это также модификации Т-образного моста, и эти схемы могут, кроме развязки обеспечить необходимый коэффициент трансформации при соответствующем подборе параметра ρ =

Таким образом, Т-образные мосты обеспечивают сложение мощностей и независимость входов, но условие уменьшения мощности не выполняется. Общие недостатки Т-образных мостов – узкополосность и невозможность заземления балластного резистора R_б. это обстоятельство не позволяет полностью развязать генераторы и ухудшает теплоотдачу балластного резистора из-за отсутствия контакта с корпусом. Кроме того, через паразитную емкость между незаземленным балластным резистором R_б и корпусом возникает ток, обусловливающий дополнительные потери, особенно значительные на СВЧ.

Основное достоинство мостовых сумматоров – это их нечувствительность к разбалансу амплитуд и фаз. При точной синфазности и равенстве амплитуд КПД сумматора равен 100%. Если амплитуды отличаются даже на 20%, а разность фаз достигает 40⁰, то и тогда КПД сохраняется достаточно высоким и составляет величину, близкую к 90%. С помощью мостовых устройств можно также складывать сигналы с различной величиной мощности. В этом случае коэффициент деления должен быть равен двум.

Общие сведения о транзисторных и диодных автогенераторах

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых диодов и транзисторов имеются следующие достоинства:

- малый вес и малые размеры;

- отсутствие затраты энергии на накал катода;

- большой срок службы (до десятков тысяч часов);

- большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);

- различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий кпд, так как потери энергии в них незначительны;

- маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях.

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают и следующими недостатками:

- параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа отличаются друг от друга;

- свойства приборов сильно зависят от температуры;

- наблюдается значительное изменение свойств приборов с течением времени (старение);

- собственные шумы гораздо больше, нежели у электронных приборов;

- большинство транзисторов непригодно для работы на частотах свыше нескольких десятков мегагерц;

- входное сопротивление транзисторов значительно меньше, чем у вакуумных триодов;

- транзисторы пока еще не изготовляются для больших мощностей;

- работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

В последнее время широким фронтом ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов и по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер. Применение кремния вместо германия позволяет эксплуатировать приборы при температурах до 250 °С. Опытные экземпляры транзисторов работают на частотах до 1000 МГц и выше. Расширение рабочего диапазона частот дают также полупроводниковые тетроды и некоторые новые типы полупроводниковых приборов. Можно не сомневаться в том, что недостатки полупроводниковых приборов будут постепенно устранены.

Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в которых применяются вакуумные лампы, за исключением аппаратуры для сверхвысоких частот. В настоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках, генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных схемах, электронных счетных машинах и во многих других устройствах. Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры аппаратуры, Минимальная мощность для питания электронной лампы составляет 0,1 Вт и более, а для транзистора она может быть 1 мкВт, т.е. в 100 000 раз меньше.

На транзисторах работают миниатюрные радиоприемники н передатчики. Для их питания достаточно батарейки от карманного фонаря или даже одного элемента. Специально для аппаратуры с полупроводниковыми приборами сконструированы малогабаритные радиодетали, благодаря которым удалось построить аппаратуру весьма малых размеров. Например, имеются приемно-передающие радиостанции, смонтированные в микротелефонной трубке, причем для их питания используется энергия звуков голоса человека, говорящего в микрофон. Сверхминиатюрный радиопередатчик на транзисторе, находящийся вместе со специальными приборами в капсуле, заглатываемой больным, передает сигналы о состоянии желудочно-кишечного тракта, по которому движется капсула. Успешное развитие полупроводниковых приборов, конечно, не может привести к полному вытеснению электровакуумных приборов, в совершенствовании которых достигнуты также большие результаты. В одних случаях целесообразнее использовать полупроводниковые приборы, в других лучше работают электронные лампы.

По сравнению с транзисторными генераторные диоды СВЧ обладают существенными преимуществами по максимальной частоте генерирования колебаний, выходной мощности на частотах выше 5 ГГц, надежности, технологичности и массогабаритным характеристикам. Новые приборы выделены в отдельный класс электронных приборов, называемых полупроводниковыми генераторными диодами СВЧ или диодами с отрицательным сопротивлением. К ним относятся:

- лавинно-пролетные диоды;

- диоды с междолинным переносом электронов, которые еще называются диодами с переносом электронов или диодами Ганна;

- лавинно-ключевые диоды;

- инжекционно-пролетные диоды.

Диоды с отрицательным сопротивлением работают в диапазоне частот от 0,1 до 340 ГГц, обеспечивая мощность 6÷8 Вт в сантиметровом диапазоне в непрерывном режиме, а мощность многодиодного генератора может составлять несколько десятков или даже сотен ватт. В дециметровом диапазоне мощность импульсного диодного генератора может превышать несколько киловатт. За рубежом промышленность выпускает диодные генераторы с выходной мощностью до 5 Вт, работающих в диапазоне частот от 4 до 100 ГГц. Отечественные диоды серийного производства обеспечивают выходную мощность от 0,1 до 4 Вт в трехсантиметровом диапазоне. Такой уровень мощности является достаточным для использования их в радиоэлектронных системах различного назначения. В настоящее время накоплен большой опыт их применения в приемопередающих модулях активных фазированных антенных решеток, радиомаяках, генераторах накачки параметрических усилителей, связных и телеметрических передатчиках и т.д.

Возбуждение колебаний

Будем менять коэффициент взаимной индукции М и наблюдать за процессом возникновения колебаний. Этот процесс зависит также от выбора рабочей точки на ВАХ (напряжения смещения U₀).

Выбору рабочей точки в области наибольшей крутизны (напряжение смещения U₀ на рис. 1.1) соответствует график средней крутизны S_ср(U_mос), показанной на рис. 1.1, а.