Лекция №1. Генераторы с внешним возбуждением

Одним из основных каскадов передатчика является выходной каскад – генератор с внешним возбуждением (ГВВ). Мощность ГВВ часто бывает достаточно большой, поэтому одним из главных показателей таких каскадов является коэффициент полезного действия (КПД). В передатчиках, работающих на подвижных объектах, даже при малой мощности КПД является очень существенным фактором.

В качестве усилительных приборов в передатчиках малой мощности (до 100 Вт) используются биполярные или полевые транзисторы. Рассмотрим работу каскада усиления, главными показателями которого будем считать КПД и отдаваемую им в антенну мощность.

В схеме усилителя на биполярном транзисторе n-p-n типа, на базу которого подается напряжение возбуждения радиочастоты u_б=U_б cosωt и постоянное напряжение смещения Е_б.

Мгновенное значение напряжения на базе:

e_б = Е_б+U_б cosωt .

В коллекторную цепь включено сопротивление нагрузки Z_к, на котором происходит падение напряжения U_к. Питание коллекторной цепи осуществляется от источника Е_к.

Конденсаторы С_бл1 и С_бл2 шунтируют источники питания по переменному току.

В зависимости от величины постоянного напряжения на базе и амплитуды входного напряжения в усилителе можно создать различные режимы.

Рассмотрим работу усилителя в режиме класса «А».

При некотором напряжении смещения Е_б, которое соответствует средней точке на линейном участке характеристики (точка А), устанавливается коллекторный ток I_к0 . При подаче на базу напряжения возбуждения u_б < Е _б в коллекторной цепи устанавливается ток:

i_k = I_к0+ I_к1 cos ωt .

Напряжение на коллекторе транзистора при чисто активном сопротивлении нагрузки Z_к = R_к:

e_к = (Е_к – I_к0 R_к) – U_к cos ωt .

Как известно, мощность, потребляемая генератором от коллекторного источника питания, является мощностью потерь. Она равна:

Р₀ = I_к0 Е_к .

Мощность переменной составляющей тока для первой гармоники, которая является полезной, и выделяется на нагрузке:

Р_к1 = 0,5 I_к1 U_к .

Под КПД понимается отношение полезной мощности к мощности потерь:

(1.1)

где ξ= U_к / Е_к –коэффициент использования коллекторного напряжения.

Из формулы (1.1) следует, что КПД тем выше, чем больше ξ. и больше отношение (I_к1 / I_к0). В режиме класса «А» ток коллектора должен иметь форму косинусоиды, поэтому необходимо выполнение условия I_к1 < I_к0 .

Таким образом, предельное значение для этого отношения равно единице: I_к1 / I_к0=1. При активной нагрузке и ωt = 0 : е_к=Е_к – 2U_{к ,} или предельное значение для U_к = 0,5Е_к и ξ = 0,5.

Следовательно, максимальное значение КПД в режиме класса «А» с активной нагрузкой:

η=0,5·1 · 0,5 =0,25 , или в процентах η=25%.

Как видно, КПД получился очень низким. Повысить его можно, в первую очередь, изменяя параметры нагрузки, чтобы уменьшить потери от постоянной составляющей коллекторного тока.

В передатчике усиливается узкополосный сигнал, содержащий колебания несущей и боковые полосы модуляции. Обычно ширина спектра сигнала не превышает несколько процентов от значения несущей, и усиливаемый сигнал представляет собой колебание, по форме очень близкое к синусоиде. Поэтому в качестве нагрузки, обладающей малыми потерями от постоянного тока, можно использовать колебательный контур.

Определим КПД генератора с внешним возбуждением в режиме класса «А» с нагрузкой в виде колебательного контура.

При включении в коллекторную цепь колебательного контура постоянная составляющая тока потечет через индуктивность. Вследствие этого напряжение на коллекторе U₀ и напряжение источника станут равными, то есть U₀ = Е_к.

Останется прежним значение полезной мощности Р_к1 = 0,5 I_к1 U_к. Однако подводимая мощность станет меньше, так как при ωt=0 – U_к =Е_к и отношение ξ = U_к / Е_к =1.

Следовательно, КПД повысится и его максимальное значение в этом случае будет равно:

η = 0,5·1 · 1 = 0,5 , или в процентах η = 50%.

В режиме класса «А» форма коллекторного тока совпадает с формой переменного напряжения, поданного на базу транзистора. Такой режим работы генератора называется режимом колебаний первого рода.

Дальнейшее повышение КПД возможно путем увеличения отношения I_к1 / I_к0.

Это приведет к переходу работы усилителя в режим колебаний второго рода.

Рассмотрим работу усилителя в этом режиме.

Для анализа режима, используя идеализированную проходную характеристику усилителя на транзисторе i_к =( f е_бэ ), введем показатель крутизны коллекторного тока S_к.

Крутизна определяется наклоном характеристики :

tg φ_к = S_к = d i_к / d е_бэ

и тогда ток коллектора равен:

i_к = S _к ( е_бэ – Е _б0 ) (1.2)

В этом режиме рабочая точка выбирается в нижней части проходной характеристики и при подаче переменного напряжения на базу часть периода коллекторный ток изменяется по закону косинуса, а часть периода он равен нулю, т.е. происходит отсечка тока. В режиме колебаний второго рода ток коллектора по форме не совпадает с входным напряжением и имеет форму импульсов.

Для упрощения математических выкладок при анализе этого режима удобно за начальный момент изменения коллекторного тока выбрать его максимальное значение, тогда закон изменения тока будет иметь коснусоидальный характер и будет четной функцией во времени. Выразим мгновенное значение коллекторного тока i_к через максимальное значение I_кm и угол отсечки θ.

Углом отсечки коллекторного тока в режиме колебаний второго рода называется произведение круговой частоты ω на время t, в течение которого ток изменяется от максимального значения до нуля.

Напряжение, приложенное к базе транзистора :

е_бэ = Е_б + U_б cos ωt

Подставляя это выражение в формулу (1.2), получим:

i_к = S _к (Е_б – Е _б0 + U_б cosωt) (1.3).

Как видно из рисунка 1.8,б, ток коллектора существует при изменении ωt в пределах от 0 до ωt= θ (или в течение 2θ для следующих импульсов). В остальную часть периода ток равен нулю. Из этого следует, если ωt= θ, i_к = 0. Подставляя эти значения в формулу (1.3), получим:

0 = S _к (Е_б – Е _б0 + U_б cos θ) (1.4)

Вычитая из уравнения (1.3) уравнение (1.4), получим:

i_к = S _к U_б ( cos ωt – cos θ ) (1.5).

При значении ωt = 0, i_к = I_кm . Следовательно:

I_кm = S _к U_б ( 1 – cos θ) (1.6).

Разделив уравнение (1.5) на уравнение (1.6), получаем окончательно выражение для мгновенного значения коллекторного тока:

(

1.7)

(1.7)

Это уравнение является аналитическим выражением для тока импульсной формы в режиме колебаний второго рода. Так как ток представляет собой несинусоидальную периодическую функцию, то, согласно теореме Фурье, он может быть представлен как сумма постоянной составляющей и ряда гармоник с частотами ω , 2ω, 3ω и так далее.

I_к= I_к0 + I_к1 cos ωt + I_к2 cos 2ωt +………+ I_кn cos n ωt

Для определения КПД необходимо знать как I_к0 , так и I_кn. Согласно теореме Фурье, постоянная составляющая тока:

После интегрирования и подстановки пределов получаем

Так как коэффициент, стоящий при амплитуде импульса тока I_km , зависит только от угла отсечки, вводим обозначение

Окончательно получаем:

I_к0 =α₀ (θ) I_km

(1.8). (1.8)

Так как контур настроен на первую гармонику, то для определения полезной колебательной мощности определяем I_k1.

После интегрирования и подстановки пределов получаем:

Вводим обозначение для коэффициента, зависящего только от угла отсечки:

О кончательно получаем:

I_k1 =α₁(θ) I_km

(1.9). (1.9)

КПД определяем по формуле (1.1), учитывая формулы (1.8) и (1.9):

При выборе напряжения смещения, для которого θ <90^°, с увеличением U_б угол отсечки увеличивается, токи I_k1 и I_k0 линейно нарастают. При значительном увеличении U_б транзистор переходит в ПР. В ПР угол отсечки остается почти постоянным и изменение токов практически не происходит. Следовательно, в НР Р₀ растет линейно, так как Р₀ = Е_к I_k0, а Р_к1 растет пропорционально квадрату I_k1. Критический режим достигается при большей амплитуде U_б, а критическое значение I_k1 несколько меньше, чем при θ=90^°. Если выбрано напряжения смещения, для которого θ > 90^°, то при увеличении напряжения возбуждения (U_б→ ∞), угол отсечки уменьшанется и стремиться к 90^°. Но в этом случае, несмотря на уменьшение угла отсечки, каждому значению U_б соответствует больший импульс тока, чем для случая, когда θ = 90^°. Поэтому ПР наступает уже при меньших значениях U_б.

В этой формуле

γ(θ) = 0,5 α₁(θ) / α₀ (θ).

Коэффициенты α₁(θ), α₀(θ) и γ(θ) являются функциями угла отсечки и могут быть вычислены для всех значений θ = (0….180º).

Итак, в режиме колебаний второго рода коэффициент полезного действия определяется:

η = γ (θ) ξ

(1.10)

Численные значения функций для некоторых значений аргумента приведены в таблице 2 .

Таблица 2

θ	40	60	70	80	90	95	100	105	110	115	120
α0	0,147	0,218	0,253	0,286	0,319	0.334	0,35	0,364	0,379	0,392	0,406
α1	0,28	0,391	0,436	0,472	0,5	0,51	0,52	0,526	0,531	0,534	0,536
γ	0,952	0,896	0,862	0,825	0,784	0,763	0,743	0,722	0,7	0,68	0,66

В режиме колебаний второго рода в зависимости от выбора угла отсечки различают три класса работы: В, АВ и С.

Класс В имеет место при θ = 90º, при этом напряжение смещения на базе Е_б = Е_б0 ; для класса АВ напряжение смещения Е_б выбирают несколько больше Е_б0 и 90º < θ < 180º; в режиме класса С напряжение Е_б < Е_б0 и θ < 90º.

Выбор угла отсечки зависит от конкретных условий.

1. Если задана амплитуда тока I_km, отдаваемая мощность Р_к1 пропорциональна α₁(θ) и ее максимальное значение будет при θ = 120º. Но при этом происходит снижение К.П.Д.

2. КПД будет тем больше, чем больше отношение α₁(θ) / α₀(θ), т.е. чем меньше θ. Углы отсечки 120º и 180º не являются оптимальными с точки зрения получения высокого К.П.Д., так как при θ = 120º η = 0,66 ξ , а при θ = 180º η = 0,5 ξ.

Для повышения КПД необходимо уменьшать угол отсечки, путем увеличения отрицательного смещения на базе транзистора, но при этом уменьшается α₁(θ). Для того, чтобы обеспечить заданную мощность, необходимо увеличивать максимальную величину импульса тока I_km . Это достигается путем увеличения напряжения возбуждения U_б, что может привести к пробою перехода эмиттер - база.

3. Таким образом, рационально выбирать угол отсечки в пределах

60º <θ < 90º. Если задать величину коэффициента использования коллекторного напряжения ξ ≈ 1, то при угле отсечки θ = 60º можно получить η = 92%.

Классификация режимов работы генератора с внешним возбуждением при изменении эквивалентного сопротивления нагрузки

На частоте настройки сопротивление нагрузки активное, т.е Z_к = R_к . При увеличении сопротивления угол наклона нагрузочной характеристики уменьшается, и при фиксированном значении входного сигнала, равном е_{б max} , переменное напряжение на коллекторе будет увеличиваться.

Для R_к1 = 0 динамическая характеристика определяется линией А1 – С1, напряжение на нагрузке равно нулю, форма тока имеет форму косинусоиды. Для сопротивления R_к2 > R_к1 динамическая характеристика определяется линией А2– – С2– D2. Напряжение на нагрузке имеет амплитуду U_к2 . Динамическая характеристика, определяемая линией А3 – С3– D3, пересекает ЛКР и соответствующее ей сопротивление R_к3 > R_к2 называется критическим ( R_к3 = R_{к кр} ) _. Напряжение на нагрузке имеет амплитуду U_к3 .

При дальнейшем увеличении сопротивления (R_к4) динамическая характеристика теоретически должна соответствовать линии А^' 4 – А4– С4– D4. В реальной схеме ток коллектора будет увеличиваться до значения, соответствующего точке А4, а затем он уменьшается, так как транзистор переходит в режим насыщения. Поэтому динамическая характеристика определяется линией А^''4 – А4– С4– D4 . В результате в форме тока появляется провал. Для сопротивления R_к5 динамическая характеристика определяется линией А^'' 5 – А^' 5 – А5– С5– D5. В этом случае амплитуда переменного напряжения на нагрузке (U_к5) так велика, что некоторое время ток коллектора будет отсутствовать.

В зависимости от значения сопротивления нагрузки различают недонапряженный, критический и перенапряженный режимы работы каскада. Режимы характеризуют по соотношению максимального напряжения на базе е_{б max} = Е_б +U_б и минимального напряжения на коллекторе е_{к min} = Е_к - U_к .

Сопротивлению R_к3 = R_{к кр} соответствует критический режим. В этом режиме имеет место соотношение:

|Е_б +U_б| = |Е_к–U_к|.

Для сопротивлений R_к < R_ккр режим будет недонапряженный и в этом случае имеет место соотношение:

|Е_б +U_б| < |Е_к – U_к|.

Для сопротивлений R_к > R_{к кр} режим называется перенапряженным. Для этого режима:

|Е_б +U_б| > | Е_к – U_к|.

В перенапряженном режиме в форме коллекторного тока появляется провал. Если в таком режиме ток некоторое время отсутствует, то режим будет сильноперенапряженным.

Нагрузочные характеристики генераторов с внешним возбуждением

Нагрузочные характеристики определяют основные энергетические показатели ГВВ, такие, как полезная мощность выходного сигнала Р_к1, создаваемая первой гармоникой тока; потребляемая мощность по коллекторной цепи Р₀; коэффициент полезного действия η.

Критический режим соответствует только одному значению сопротивления R_к= R_{к кр} и является границей между недонапряженным и перенапряженным режимом, что на графике отмечено пунктирной линией.

В недонапряженном режиме увеличение сопротивления нагрузки вызывает увеличение напряжения U_к. Как видно из графиков рисунка 1.18, первая гармоника коллекторного тока I_k1 и постоянная составляющая I_k0 в этом режиме несколько уменьшаются (кривые 1, 2,3). При переходе в перенапряженный режим в импульсе коллекторного тока появляется провал, что приводит к уменьшению первой гармоники и постоянной составляющей коллекторного тока. Поскольку сопротивление нагрузки увеличивается, а ток первой гармоники уменьшается, это приводит к замедлению роста напряжения U_к. Полезная мощность Р_к1 = 0,5 I_k1 U_к =0,5 R_к имеет максимальное значение вблизи критического режима.

Уменьшение потребляемой мощности в недонапряженном и перенапряженном режиме и увеличение полезной мощности в недонапряженном режиме соответствует увеличению коэффициента полезного действия, максимум которого будет в слегка перенапряженном режиме.

Так как полезная мощность максимальна в критическом режиме, то этот режим считается оптимальным для работы генератора.