5 Генератор с внешним возбуждением (гвв)

5.1 Назначение и принцип действия гвв

Генератор с внешним возбуждением представляет собой усилитель мощности радиочастотных колебаний. Он состоит из активного элемента (электронной лампы, транзистора и т.д.), нагрузочного элемента (одного или нескольких связанных колебательных контуров) и источника питания.

Применение резонансной нагрузки позволяет использовать данный каскад не только в качестве усилителя, но и умножителя частоты колебаний. В последнем случае колебательный контур настраивается на вторую или третью гармоники анодного тока. Тогда частота колебаний на выходе генератора будет превышать соот­ветственно вдвое или втрое частоту колебаний на его входе. Гене­ратор с внешним возбуждением является основным каскадом ра­диочастотного тракта. Он выполняет функции буфера, промежуточного усилителя, умножителя частоты или оконечного (выход­ного) каскада.

В подавляющем большинстве генераторов, имеющих выход­ную мощность более нескольких десятков ватт, в качестве активного элемента используется электронная лампа. Она может ра­ботать практически во всех диапазонах частот — вплоть до сан­тиметровых волн. Ее выходная мощность может достигать сотен киловатт. Транзисторы конкурируют с электронной лампой только в относительно маломощных передатчиках. В диапазонах децимет­ровых и сантиметровых волн генераторы строятся на так назы­ваемых клистронах и лампах бегущей волны. Электронные лампы каскадов радиочастотного тракта носят название генераторных. Если их выходная мощность не превы­шает одного киловатта, то по своим конструктивным особенностям и эксплуатационным характеристикам они ма­ло чем отличаются от аналогичных электрон­ных приборов, используемых в усилителях зву­ковых сигналов. Более мощные генераторные лампы уже в значительной степени отличают­ся от приёмно-усилительных. Прежде всего, их конструкция предусматривает возможность принудительного отвода тепла, выделяющего­ся на аноде и сетках. Иначе работа лампы в нормальном режиме становится невозможной. Большие выходные мощности, а следователь­но, значительные анодные токи (до сотен ам­пер) и напряжения (десятки киловольт), так­же накладывают определенный отпечаток на конструкцию генераторных ламп.

Рисунок 5.1 Разрез мощного генераторного триода

На рисунке 5.1 показан разрез мощного генераторного триода. Анод А выполнен в форме цилиндра из красной меди, наглухо за­варенного с одного из торцов. Внутри него расположены катод прямого накала К в виде спирали и цилиндр управляю­щей сетки С с отверстиями. Второй торец анода соединен со стеклянным баллоном Б, через дно которого пропущены вводы катода ВК. Ци­линдр сетки ЦС пропущен сквозь стекло баллона наружу и охлаждается потоком воздуха, создаваемого вентилятором. С увели­чением числа сеток возрастают трудности по их охлаждению. По­этому мощность современных пентодов не превышает нескольких, а тетродов — десятков киловатт. В то же время выпускаемые генераторные триоды могут иметь мощность сотни киловатт.

Рас­сматриваемый вариант генераторной лампы имеет принудитель­ное водяное охлаждение анода: медный цилиндр помещается в специальный бак. Дистиллированная вода охлаждается, в свою очередь, в теплообменнике водопроводной водой.

Этот вид прину­дительного охлаждения значительно увеличивает габариты и стои­мость радиопередающего устройства, но он может быть исполь­зован в лампах с любым верхним пределом по мощности.

Кон­струкция генераторной лампы, предназначенной для принудитель­ного охлаждения потоком воздуха, имеет дополнительно радиатор из медных пластин, насаженный на цилиндр анода. Он соединяет­ся воздухопроводом с мощным вентилятором. Этот вид охлажде­ния все шире применяется в радиопередающих устройствах бла­годаря его компактности, экономичности и высокой надежности.

Недостаток — значительный акустический шум, ухудшающий ус­ловия работы обслуживающего персонала. Существующая тенден­ция автоматизации передатчиков позволит со временем нейтрализовать этот- недостаток. Верхний предел мощности для ламп с та­ким охлаждением несколько ниже, чем для ламп с водяным ох­лаждением. Весьма перспективной является система принудитель­ного охлаждения анодов за счет испарения жидкости. Она ком­пактна и бесшумна. Однако система чувствительна к изменениям атмосферного давления.

Катоды мощных генераторных ламп, как правило, активиро­ванные, прямого накала, питаемые переменным током промышлен­ной частоты 50 Гц. Массивная нить накала в холодном состоянии обладает небольшим сопротивлением. Для предотвращения раз­рушения ее пусковыми токами, достигающими десятикратного но­минального значения, напряжение накала подается постепенно по мере разогрева катода. Сетки генераторных ламп нагреваются не только катодом и анодом, но и собственными токами. Поэтому их изготовляют из тугоплавких металлов. Для эффективного управления электронным потоком при наличии высокого анодного напряжения управляющая сетка должна быть очень густой, а это, в свою очередь, увеличивает статический коэффициент усиления лампы μ.

В соответствии с определением, известным из курса электрон­ных приборов, данный параметр представляет собою отношение соответствующих приращений анодного Δе_а и сеточного Δе_с на­пряжений (рисунок 5.2а):

При большой величине μ сдвиг статической характеристики влево относительно начала координат незначите­лен:

Таким образом, статические характеристики почти целиком расположены в правом квадрате (рисунок 5.2а).

С целью получения от лампы максимальной мощности необхо­димо полностью использовать рабочие участки указанных харак­теристик, что возможно только в том случае, если мгновенные значения напряжения на управляющей сетке е_с будут иметь положи­тельные значения. Генераторы с внешним возбуждением, за ис­ключением буферного каскада, работают с токами сетки. При этом каждый последующий каскад потребляет от предыдущего не­которую мощность, называемую мощностью возбуждения.

Большая величина μ или, что одно и то же, малая проницае­мость D=1/ μ, предопределяет вид статических характеристик мощного генераторного триода в анодной системе координат (рисунок 5.2б). С этой точки зрения они практически ничем не отличаются от аналогичных характеристик лучевого тетрода или пентода, об­ладающих, как известно, тоже большим μ и малым D.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в генераторе с внешним возбуждением, используя его упрощенную принципи­альную схему, представленную на рисунок 5.3а. Мгновенное значение напряжения, приложенного между сеткой и катодом, представляет собою алгебраическую сумму:

е_с = Е_с + и_с = Е_с + U_сcos wt,

где Е_c — напряжение смещения, определяющее положение началь­ной (рабочей) точки на характеристике лампы, а u_c = U_ccos wt— переменное напряжение возбуждения, поступающее от предше­ствующего каскада (возбудителя).

Графически эта математическая зависимость представлена на рисунке 5.36. В интервалы времени 1—2, 1'—2', .... когда напряжение на сетке положительно, в ее цепи появляется ток i_c, представляю­щий собою периодическую последовательность импульсов, форма которых несколько отличается от усеченной косинусоиды (сину­соиды) (на графиках изображается обычно синусоида, а в математических выра­жениях удобнее пользоваться косинусоидой) вследствие значительной нелинейности характеристик сеточного тока лампы (рисунок 5.3в). В соответствии с теоремой Фурье такая последовательность импульсов может быть выраже­на тригонометрическим рядом:

…..

где I_c1 — постоянная составляющая сеточного тока; I_c2cos2wt, I_c3coswt — переменные составляющие (гармоники), амплитуды которых быстро убывают с увеличением их номера.

Рисунок 5.2 Статические характеристики гене­раторного триода в системах координат: а) анодно-сеточной; б) анодной

Постоянная составляющая /_с0 всегда протекает внутри лампы от сетки к катоду и далее через источник смещения Е_с к сетке. В этом же направлении в положительный полупериод напряже­ния возбуждения проходят и переменные составляющие сеточного тока, а при отрицательной полуволне — в обратном. Источник смещения они обходят через конденсатор С_с, емкость которого выбирается достаточно большой величины. Это позволяет избе­жать неоправданных потерь анергии возбуждения на внутреннем сопротивлении источника Е_с и исключает возникновение паразит­ной связи между каскадами в случае, если источник смещения является для них общим.

Из курса электронных усилителей известно, что при работе каскада с отсечкой анодного тока повышается КПД выходной цепи. Если в классе А его величина не превышает 50%, то в классах АВ, В и С она может достигать значений 70—80%, что особенно желательно иметь в мощных генераторах, где повыше­ние КПД приводит к заметному снижению эксплуатационных расходов.

Применение резонансной нагрузки позволяет выделить из спектра анодного тока

колебание заданной частоты и отфильтровать все остальные со­ставляющие.

Если, например, анодный контур настроить на часто­ту основного колебания ω, то на его сопротивлении R_œ возникнет переменная разность потенциалов:

u_a= I_a1 R_œ cos wt = U_a cos wt

где U_a=I_a1 R_œ — амплитуда колебательного напряжения на кон­туре.

Рисунок 5.3 Упрощенная принципи­альная схема генератора с внеш­ним возбуждением и его волновые диаграммы: а) схема; б) изменение напряже­ний на управляющей сетке; в) им­пульсы таков сетки и анода; г) изменение напряжений на аноде

Емкость конденсатора С_а выбирается достаточно большой ве­личины, так что его сопротивление для переменных составляющих анодного тока незначительно. Следовательно, в схеме с общим катодом (рисунок 5.3а) это переменное напряжение действует также между анодом и катодом лампы.

Мгновенное значение анодного напряжения определяется на основании следующего выражения:

е_a = E_a — U_a cos w t.

Знак «минус» указывает на то, что напряжение на аноде и_a всег­да противофазно сеточному и_с. Это характерно для любого усили­теля электрических сигналов. График изменения анодного напря­жения показан на риснке 5.3г. Его минимальное значение соответ­ствует

E_amin = E_a - U_a.

а в это время напряжение на сетке (рисунок 5.36) максимально:

e_cmax = E_c + U_c.

Если генератор с внешним возбуждением предназначен для работы в качестве умножителя частоты колебаний, то его анод­ный контур настраивается на вторую или третью гармонику анодного тока.

Рассмотренный режим работы генераторной лампы называет­ся динамическим. На рисунке 5.4а показана нагрузочная характе­ристика анодного тока в анодно-сеточной системе координат. Спо­собы ее построения рассматриваются в курсе усилителей. Здесь положение начальной (рабочей) точки при помощи напряжения Е_c выбрано в точке касания этой характеристики с горизонталь­ной осью, что соответствует работе генератора в классе В с углом отсечки анодного тока θ = 90°.

Рисунок 5.4 Изменения напряженности режима генератора: а) в анодно-сеточной системе координат; б) в форме импульсов анодного тока

Если амплитуда напряжения возбуждения U_C относительно не­велика (1 на рисунке 5.4а), то лампа по току используется неполностью, а это невыгодно в эксплуатации, поскольку из-за неболь­шой величины импульса анодного тока (1" на рисунке 5.4б) от лампы можно получить неполную колебательную мощность. Одновремен­но велики потери на аноде лампы, что может вывести ее из строя.

Физические процессы в генераторе обычно рассматриваются с использо­ванием только первых четырех членов этого ряда. Гармоники более высоких порядков во внимание не принимаются из-за малости их амплитуд.

Такой режим генератора, по­лучивший название недонапряженного (HP), из-за ука­занных недостатков весьма нежелателен.

Если использовать на­грузочную xapактеристику анодного тока до точки пе­региба (2' на рисунке 5.4а), то в генераторе установится так называемый критичес­кий режим. Ему соответст­вуют максимальные значе­ния импульса анодного тока (2" на рисунке 5.4б) и колеба­тельной мощности. Для него характерны также значи­тельно меньшие потери на аноде, чем в HP, и более высокий КПД анодной цепи η. Критический режим является основ­ным для подавляющего большинства генераторов с внешним воз­буждением.

Дальнейшее увеличение амплитуды входного напряжения вы­зывает заметное возрастание тока управляющей сетки i_с. Такой режим генератора носит название перенапряженного. Из-за зна­чительного сеточного тока импульс анодного тока получает про­вал в своей вершине (3" на рисунке 5.4б), что влечет за собою сни­жение выходной мощности генератора.

Для дальнейших рассуждений целесообразно рассмотреть влия­ние на напряженность режима генератора и форму импульсов анодного тока (рисунок 5.4а) величины сопротивления его нагрузки R_œ , которое подвержено изменениям в процессе перестройки колебательного контура. На рисунке 5.5б показаны три динамические характеристики в анодной системе координат.

Рисунок 5.5 Графики, пояс­няющие физические про­цессы при перестройке генератора: а) формы импульсов анодного тока; б) пози­ции нагрузочных харак­теристик; в,г) характер изменения постоянных составляющих анодного и сеточного токов в про­цессе настройки

Первая из них соот­ветствует режиму короткого замыкания анодной цепи по пере­менному току (R_œ=0). Увеличение сопротивления нагрузки R_œ приводит к уменьшению угла ее наклона. Верхний конец динами­ческой характеристики, по которому определяется величина им­пульса анодного тока (рисунок 5.5а), с ростом R_œ постепенно пере­мещается из области недонапряженного (HP) в области крити­ческого (КР) и перенапряженного (ПР) режимов. Импульс анод­ного тока постепенно уменьшается, а в ПР в его вершине возни­кает седловина, обусловленная токоперераспределением между анодом и управляющей сеткой лампы. Максимальное значение то­ка в ПР определяется по точке пересечения продолжений линии катодного тока и динамической характеристики (показано пунк­тиром). Таким образом, с увеличением сопротивления нагрузки генератора (R_œ) происходит убывание постоянной составляющей анодного тока I_ао (рисунок 5.5в), величина которой прямо пропорцио­нальна амплитуде импульса i_амакс. Одновременно возрастает пос­тоянная составляющая сеточного тока I_с0.

При переходе с волны на волну собственная частота колеба­тельного контура генератора не совпадает в начальный момент с частотой возбуждения. Расстроенный контур имеет малую величи­ну эквивалентного сопротивления, и в генераторе устанавливает­ся недонапряженный режим, опасный для него с точки зрения вы­деления на аноде лампы большой тепловой мощности, которая может превысить допустимое значение. Во избежание этого при переходах с волны на волну пользуются специальными таблица­ми, при помощи которых до включения анодного напряжения устанавливают грубо собственные частоты контуров в соответствии с частотой возбудителя. Далее при пониженном анодном напря­жении подстраивают каждый контур. По мере приближения к ре­зонансу его сопротивление возрастает, что вызывает уменьшение I_a0 и увеличение I_с0. В момент резонанса первый из них достигает минимального значения, а второй — максимального. Характер из­менения этих токов в процессе настройки показан на рисунке 5.5г. Контроль за постоянными составляющими сеточного и анодного токов осуществляется по электроизмерительным приборам, постоянно включенным в соответствующие цепи генератора с внеш­ним возбуждением.

В мощных генераторах с внешним возбуждением на аноды ламп в момент включения подается пониженное напряжение. Тем самым даже при расстроенном контуре удается установить режим, близкий к критическому (используя рисунке 5.5б, можно выявить, что при малых значениях Е_а верхний конец динами­ческой характеристики сместится влево). Снижение Е_а позволяет также уменьшить опасные броски тока в момент включения.

Практические схемные решения генераторов, с внешним возбуждением выглядят несколько сложнее, чем упрощенная схема (рисунок 5.4а), построенная без учета таких важных факторов, как выходная мощность каскада, диапазон его рабочих волн (частот), необходимость защиты источников питания от проникновения в них переменных составляющих токов.