2838

Рис. 2.7. Временные диаграммы сигналов в УМ

В результате напряжение uвых между выходными элек-

где Uвых – амплитуда напряжения между выходными электродами АЭ, превышают ЕП и повторяет форму входного сигнала (рис. 2.7,в). Это происходит за счет энергии, накопленной реактвными элементами выходной согласующей цепи на интервале времени, когда АЭ находился в открытом состоянии (рис.2.7, б). Для формирования гармонического напряжения

31

необходимо, чтобы нагруженная добротность П- контура составляла 5…10, что обеспечивает как ее высокий КПД, так и приемлемые нелинейные искажения.

Кроме этого напряжение на внешней нагрузке Rн схемы (рис. 2.6), также будет синусоидальной формы, Его амплитуда при настройке П – контура на частоту вхдного сигнала зависит от соотношения между внешней нагрузкой Rн (потребителем энергии) и эквивалентным сопротивлением нагрузки между выходными электродами АЭ.

Баланс мощностей в усилителе мощности

Мощность генерируемая активным элементом

где Iвых1- амплитуда тока первой гармоники, протекающего через АЭ;

Uвых = Eп – uост амплитуда напряжения между выходными электродами АЭ (uост – остаточное или минимальное значение мгновенного напряжения uвых ).

φk – фазовый сдвиг между амплитудам и тока первой гармоники и напряжением между выходными электодами АЭ. При φk = 0 мощность максимальна., что соответствует Zн= Rн.

32

В выходной цепи происходит преобразование энергии потребляемой от источника напряжения питания в энергию ВЧ колебаний. Поэтому уравнение баланса мощностей для нее представляется следующим выражением

Во входной цепи УМ маломощный генератор (предварительный каскад) отдает ВЧ генератору мощность

где Iвх –амплитуда тока первой гармоники, протекающего во входной цепи АЭ.

Кроме этого входная цепь транзистора потребляет от истоника питания Eп мощность Pовх. С учетом этого баланс мощностей во входной цепи представляется в виде

С учетом (2.11) общий КПД определяется выражением

При проведении анализа предполагалось, что КПД выходной согласующей цепи равен 1. Однако на практике его значение составляет 0.95… 0.85. Поэтому мощность в нагруз-

33

ке Pн <P1 и это при проведении реальных расчетов следует учитывать.

Рассчитаем гармоники выходного тока виде косинусоидалых импульсьв в безынерционном АЭ для недонапряженного (НР) и критического (КР) режимов [7,8]. На входе АЭ действует напряжение uвх(τ), равное сумме гармонического напряжения и смещения Ес. Импульсы тока (рис. 2.8) симметричны. Фазовый сдвиг гармоник тока iвых(τ) относительно евх(τ) отсутствует. Следовательно, выходной ток представляет собой косинусоидальные импульсы, которые представляют собой сумму гармоник

iвых ( ) Iвых0 Iвых1 cos Iвых2 cos 2 + ... . ( )

Косинусоидальные импульсы тока (рис. 2.8) с учетом кусочно-линейной зависимости выходного тока от входного напряжения можно выразить через SUвх и cosΘ

iвых ( ) SUвх (cos cos ) cos cos . ( )

С использованием коэффициентов ряда Фурье для четной функции iвых(τ) имеем

I SU 1 (cos cos )d SU ( ) ,

вых0 вх вх 0 ( )

0

где

34

где cos = (Eс Е’)/Uвх.

Рис. 2.8. Импульсы тока в активном элементе Аналогично определяются амплитуды гармоник

35

Выражение амплитуд гармоник Iвыхn через SUвх и коэффициенты γи(Θ) удообно, когда амплитуда напряжения возбуждения Uвх постоянна, а угол отсечки Θ меняется за счет изменения напряжения смещения Ес. В этом случае величина ( cosΘ) = (Ес E')/ Uвх пропорциональна (Ес Е') и графики

γn( cosΘ) отображают в некотором масштабе зависимость Iвыхn от напряжения смещения.

Риc. 2.9. Зависимости коэффициентов γn от ( cosΘ)

В усилителях мощности нужно оценить влияние угла отсечки на гармоники тока при фиксированной высоте импульса тока, например, при исследовании режимов АЭ с ограниченным током. Из ( ) следует, что высота импульса выходного тока определяется выражением

36

Зависимости коэффициентов разложения αп косинусоидального импульса от угла отсечки Θ приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Зависимости коэффициентов αп от угла отсечки Θ

Заметим, что максимумы αn(Θ) при п > 1 имеют место

120°/n, причем

Из полученных соотношений следует, что коэффициент формы косинусоидального импульса gn = Iвых n /Iвых 0 зависит только от Θ. При полном использовании напряжения источника питания коэффициент формы определяется выражением

На рис. 2.11 приведены зависимости коэффициентов формы gn косинусоидального импульса от угла отсечки Θ. От-

37

метим, что g1(Θ) меняется от 2 до 1 при изменении Θ от 0 до

180° и g1 = π/2 при Θ = 90° .

Рис. 2.11. Зависимости коэффициентов формы gn от угла отсечки Θ

КПД выходной цепи АЭ определяется известным выражением

С учетом (2.12) электронный КПД выходной цепи равен

Работа АЭ с отсечкой тока применяется для повышения электронного КПД

38

Рассмотрим зависимость от отдельных сомножителей в выражении (2.26) для 1 .

Коэффициент формы g1 растет при уменьшении θ и изменяется в пределах g1 180 = 1 до g1 0 = 2.

При уменьшении угла θ необходимо увеличивать высоту импульса выходного тока 1вых т для поддержания заданной величины P1КР . Поэтому возрастет остаточное напряжение на выходном электроде ивых мин = Iвыхm / Sкp, следовательно, уменьшится амплитуда напряжения на нагрузке U НКР = Eп - ивых.мин и коэффициент использования напряжения источника питанияКР = U НКР / Eп (рис. 2.12). Максимальное значение КПД достигается при углах отсечки ОПТ 50 75 .

Рис. 2.12. Зависимости КПД (а) и коэффициента усиления по мощности (б) от угла отсечки

Однако при углах отсечки, меньших 70°, во-первых, резко возрастают Iвых m и амплитуда Uвх, что может привести к превышению значений iвых.доп и обратного напряжения ивх.доп (см. рис. 2.10), во-вторых, при уменьшении угла отсечки θ возрастает мощность возбуждения Рвх1, снижается коэффициент усиления Кр при Р1 = const и общий КПД ηобщ = Р1 / (Р0 + Рвх1).

39

Поэтому выбором режима устанавливают угол отсечки в пре-

делах θопт = 70° ... 90°.

2.7. Динамические характеристики

Семейству идеализированных статистических характеристик АЭ и аналитическим выражениям для мгновенных значений напряжений на его электродах, строить динамическую вольтамперную характеристику (ВАХ). Выходная динамическая ВАХ, представляющая зависимость мгновенных значений выходного тока от мгновенных значений напряжения на выходном электроде АЭ, имеет вид ломаной линии (рис. 2.13).

iвых

iвых.м. 2

Рис. 2.13. Идеализированная динамическая ВАХ

Линия 1 совпадает с линией критического (граничного) режима (ЛКР) выходных статических ВАХ, соответствует состоянию насыщения АЭ и перенапряжённой области его работы. Крутизна ЛКР определяется соотношением [8]

гр ⁄ нас, (2.27)

где нас – сопротивление насыщения.

Линия 2 соответствует активному состоянию АЭ и недонапряжённому режиму работы. Эта линия имеет отрицательную крутизну, модуль которой определяется из условия

40