книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

объясняется относительно низким по сравнению с генераторными лампами значениями коэффициентов усиления по мощности. Это приводит к необходимости построения многокаскадных полупро­ водниковых передатчиков, что оказывается неудобным. Кроме то­ го, транзисторные передатчики очень чувствительны к изменениямвеличины нагрузки, что особенно сказывается на режимах рабо­ ты выходных каскадов. Объясняется это тем, что высокочастотные транзисторы даже при кратковременных превышениях предельна допустимых эксплуатационных параметров снижают надежность работы — либо самовозбуждаются, либо пробиваются. Для предотвращения этих нежелательных явлений в транзисторных ге­ нераторах приходится предусматривать защитные устройства от импульсных перенапряжений, возникающих в источниках электро­ питания, и устройства защиты от рассогласования с нагрузкой.

Дальнейшее совершенствование транзисторов, безусловно, рас­ ширит их применение в радиопередающих устройствах, особенна подвижного типа, где требуется экономное расходование электро­ энергии.

Последними образцами высокочастотных транзисторов, изго­

Принципиальная схема генератора с внешним возбуждением на транзисторе типа р-п-р приведена на рис. 4.36. Она соответствует рассмотренной выше ламповой с общим катодом и носит название схемы с общим эмиттером. Основные цепи токов коллектора, эмит­ тера и базы в этой схеме аналогичны цепям лампового генерато­ ра — анодной, цепи катода и сетки. Питающие генератор напря­ жения включены в Цепь коллектора Ек и базы Еб. Их полярность относительно эмиттера отрицательная. Все рассмотренное ниже будет относиться к транзисторам типа р-п-р в различных вариан­ тах их включения.

Рас. 4.36. Принципиальная схема

транзисторного генератора в схеме с общим эмиттером

Управление величиной тока коллектора в транзисторе проис­ ходит за счет действия напряжения на эмиттерном переходе. Это напряжение (в любом типе транзистора р-п-р или п-р-п) приложе­ но между базой и эмиттером. Эффект усиления, создаваемого транзистором в схеме, связан с тем, что управление током в эмит­ терном переходе происходит под действием малого переменного входного напряжения, значительно меньшего, чем получаемое в выходной цепи — коллекторной. Энергия, переносимая потоком

121

носителей, получается благодаря действию ускоряющего поля, созданного источником питания коллекторной цепи. Таким обра­ зом, транзистор, используемый в генераторных режимах как не­ линейный элемент, осуществляет прямую связь нагрузки — коле­

бательного контура — с источником энергии, преобразуемой в ко­ лебания высокой частоты.

Свойства транзисторов описываются семействами статических характеристик, снимаемых при постоянных температурах р-п-пе­ реходов. Для большинства высокочастотных транзисторов они имеют вид, показанный на рис. 4.37а и б. Основные параметры, ха­

Границ. I линия

1 .

4* 0

Рис. 4.37. Общин вид 'Статических характеристик транзи­ стора

рактеризующие свойства транзисторов, разделяются на низко­ частотные и высокочастотные. К. низкочастотным относятся прово­ димости прямая и обратная, крутизна характеристик, внутреннее сопротивление. Они аналогичны таким же параметрам электрон­ ной лампы.

Высокочастотные параметры характеризуют частотные свой­ ства транзисторов. К ним относятся: проводимости цепей входа и выхода; распределенное сопротивление материала базы rg; стати­ ческие емкости переходов; коэффициент усиления транзистора по току (в схеме с общим эмиттером); диффузионная емкость, харак­ теризующая накопление заряда в области базы (она действует параллельно емкости эмиттерного перехода и с ростом частоты возбуждающего напряжения оказывает шунтирующее действие, уменьшая переменное напряжение, приложенное к переходу эмит­ тер—база); постоянная времени входной цепи ts, определяющая критическую частоту транзистора при допустимом уменьшении ко­ эффициента усиления по току; емкость коллекторного перехода (в схеме с общей базой она включена параллельно колебательному контуру генератора и снижает его выходное сопротивление Дое. что неизбежно приводит к уменьшению колебательной мощности и кпд генератора).

Вид статических характеристик транзистора похож на харак­ теристики генераторных ламп. Это позволяетиспользовать основ­ ные положения теории ламповых генераторов для анализа рабо-

122

■зуют транзистор по напряжению, т. е. допускают максимальное на­ пряжение на коллекторе екмакс= ЕК+ 0 К, равное предельному еКД011.

Недонапряженная область характеристик, так же как у лампы, отличается малой зависимостью коллекторного тока iK от измене­ ний напряжений на коллекторе ек (горизонтальная часть харак­ теристик коллекторного тока на рис. 4.37а). Это позволяет полу­ чать режимы (путем выбора величины резонансного сопротивле­ ния Res) с амплитудами колебательного напряжения Uu одного порядка с напряжением постоянного коллекторного питания Еи при UK= (0,6—0,8)£к. При этом граничный коэффициент исполь­ зования коллекторного напряжения, характеризующий отношение

.амплитуды выходного колебательного напряжения к постоянному напряжению на коллекторе, т. е. £,= Ui</El{ оказывается одного по­ рядка с £ генераторных ламп.

Транзисторы обычно работают в режимах полного использова­ ния тока эмиттера i3, являющегося суммой токов базы ц? и кол­ лектора [к. Величина тока коллектора ограничивается допустимым значением (Кдоп, указанным в справочниках. Превышение этой ве- -личины сокращает срок службы транзисторов, что может привести к пробою коллекторного перехода и сгоранию выводов электродов.

Подобно ламповому генератору в схеме с транзистором высо­ кие энергетические показатели могут быть получены только при импульсном характере токов (с отсечкой). В генераторе с внеш­ ним возбуждением это достигается соответствующим выбором ве­ личин напряжений в цепи базы Ut и Е&.

С ростом частоты возбуждающего напряжения и.5 на частотах, близких или выше критической fKp данного транзистора, импульс тока коллектора «размывается» — уменьшается по высоте и нес­ колько увеличивается по длительности. Это ведет к уменьшению амплитуды его первой гармоники, полезной мощности и кпд. Эф­ фективность использования транзисторного генератора падает.

В граничном режиме для повышения кпд и увеличения отдавае­ мой генератором колебательной мощности наиболее целесообраз­

Величина мощности зависит от теплового режима транзистора. Известно, что его параметры, определяемые статическими харак­ теристиками, существенно зависят от температуры р-п-перехода. В широком интервале изменения температуры зависимости пара- ■метров S(t°), Srp(H, Ec(t°) остаются почти линейными. Увеличе­ ние температуры приводит к уменьшению крутизны характеристик

.124

коллекторного тока, линии граничного режима и напряжения сдви­ га. Это, в свою очередь, снижает колебательную мощность и надежность работы транзистора. В справочных данных указыва­ ется максимальнодопустимая рабочая температура перехода. Ее средние величины £Пдоп~85—150° (более низкие значения для германиевых транзисторов и полупроводниковых диодов, а более высокие — для кремниевых).

Построение схем транзисторных генераторов аналогично лампо­ вым. В них также разделяются цепи постоянных и переменных со­ ставляющих токов путем включения необходимых элементов — разделительных и блокировочных емкостей и индуктивностей. По­ добно лампе транзистор включается в схему по признаку общего электрода — эмиттера, базы или коллектора. Наиболее употреб­ ляемой схемой в настоящее время для генераторов с внешним воз­ буждением является схема с общим эмиттером. Она обеспечивает наибольшее усиление мощности и достаточную устойчивость ра­ боты на частотах, не превышающих 0,5/кр. Схема с общей базой аналогична схеме лампового генератора с общей сеткой. Ее харак­ терные особенности рассмотрены ниже (в гл. 5).

К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы

1 . Поясните назначение основных элементов схемы генератора с внешним воз­

буждением.

2.На чем основан ламповый (транзисторный) принцип создания высокочастот­ ных колебаний?

3.Что обозначают в динамическом (рабочем) режиме работы генератора на­ пряжения ее, ей и чему они равны?

4.Какова форма результирующих .напряжений ее, еа и их фазовые соотно­

шения?

5.Какова форма анодного тока в колебательных .режимах А, В, С работы

лампы (транзистора)?

6 . От чего зависит угол нижней отсечки импульса анодного .(сеточных) токов

в режимах АВ, В, С?

7.Как определяется гармонический состав косинусоидального импульса и от чего он зависит?

9.Рассчитайте, пользуясь таблицей коэффициентов для треугольного импульса (ом. приложение 2 ), величины постоянной составляющей /о и амплитуды

первой гармоники h при значениях 0=62° и (макс ='2 А.

10. Какие энергетические показатели характеризуют режимы выходной и вход­ ной цепей генератора? Напишите уравнение баланса мощностей для этих

цепей.

lil. Поясните метод линеаризации реальных статических и динамических харак­ теристик.

1.2.Чем отличаются идеализированные динамические (рабочие) характеристики анодного тока генераторной лампы, работающей в колебательных режимах АВ, В, С?

13.Напишите уравнение участка идеализированной динамической (рабочей) ха­

125

Г Л А В А П Я Т А Я

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

5.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Принципиальные схемы генераторов с внешним возбуж­ дением являются основой для построения реальных радиопередат­ чиков. Подобно схемам усилителей электрических сигналов в ге­ нераторах используются три способа включения управляющего элемента — лампы или транзистора, ■— отличающиеся тем, что один из электродов схемы является общим для входной и выход­ ной цепей генератора. Обычно этот общий электрод заземляется. В соответствии с этим существует разделение генераторов на схе­ мы с общим заземленным катодом (эмиттером); с общей зазем­ ленной сеткой (базой) и с общим заземленным анодом (коллек­ тором) .

Во всех схемах включения управляющий элемент как физиче­ ский прибор работает совершенно одинаково. Электронные процес­ сы в лампе (или транзисторе) сохраняются независимо от того, какой из электродов является общим. Во всех случаях поток дви­ жущихся зарядов управляется результирующим напряжением на управляющем электроде, а напряженность режима генератора оп­ ределяется соотношением результирующих напряжений, действую­ щих на электродах прибора. Однако указанные схемы имеют оп­ ределенные различия в энергетических соотношениях, в распреде­ лении и влиянии междуэлектродных емкостей, включенных парал­ лельно контуру и связывающих входную и выходную цепи генера­ тора.

Емкость прибора, включенная параллельно анодному контуру генератора, называется выходной СВЫх- Складываясь с рассеянной (паразитной) емкостью деталей и соединяющих их проводов (на «землю»), она увеличивает общую емкость контура. Этим ограни­ чиваются возможные минимальная длина волны и максимальное значение характеристики анодного контура. Поэтому при выборе схемы включения прибора в диапазонах коротких и ультракорот­ ких волн приходится принимать меры к тому, чтобы суммарная так называемая начальная емкость контура СНач была минималь­ ной.

Емкость, связывающая входную и выходные цепи генератора, называется проходной СпРох- Известно, что с ростом частоты ее

127

влияние на режим работающего генератора усиливается и прояв­ ляется в виде ряда нежелательных явлений, нарушающих работу генератора. Например, чем больше проходная емкость лампы Спрох, тем менее устойчив режим работы триодного генератора,

особенно в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазо­ нах ').

Емкость, включенная параллельно точкам приложения напря­ жения возбуждения Ug, называется входной Свх. Ее величина в динамическом (рабочем) режиме зависит от действующих напря­ жений и носит название эквивалентной входной емкости Свхэ, в

отличие от статической емкости прибора. При наличии тока во входной цепи генератора вводится понятие об активной составляю­ щей входного сопротивления R Bs —[UgIIgi.

Таким образом, входное сопротивление прибора, включенного параллельно анодному контуру возбудителя, в общем случае яв­ ляется комплексным ZBXи состоящим из параллельно включенных активного сопротивления RBX и реактивного ZBX= 1/соСвхэ.

Рассмотрим особенности работы, энергетические соотношения и области применения различных схем включения генераторных ламп.

СХЕМА С ОБЩИМ КАТОДОМ

Эта схема, показанная на рис. 5.1, подробно рассматри­ валась ранее, в гл. 4. Она широко применяется в различных кас­ кадах радиопередатчиков. Ее работа и энергетические соотноше­ ния изложены выше. Общим эле­

к дополнительным мерам, нейтрализующим вредное действие этой емкости. Подробные сведения о мерах нейтрализации даны в гл. 10.

Тетроды и пентоды, имеющие благодаря экранирующей сетке весьма малую проходную емкость Саg, измеряемую долями пико­ фарад, успешно применяются в схемах с общим катодом во всех диапазонах рабочих волн.

Входной емкостью схемы является междуэлектродная емкость сетка—катод. Как известно из курса усилителей электрических

128

емкости CBxa= CgK+ Cag(\+ Ua/Ug) . Она входит в общую емкость контура предварительного каскада — возбудителя — и оказывает влияние на его настройку.

Все сопротивления, оказывающиеся общими на участке схемы катод—земля, при данном включении являются элементами связи между входной и выходной цепями генератора (см. рис. 5.1). Так, например, небольшая величина индуктивности вывода катода LKат в диапазоне ультракоротких волн оказывается для токов высокой частоты ощутимым сопротивлением.

СХЕМА С ОБЩЕЙ СЕТКОЙ

Схема с общей (заземленной) сеткой (рис. 5.2а) приме­ няется для триодов, работающих на коротких и ультракоротких волнах. Заземление управляющей сетки по переменным токам вы-

ментов контура ® диаиазонах кв и рсв

сокой частоты позволяет использовать ее одновременно и в каче­ стве электростатического экрана между цепями входа и выхода генератора.

Эта схема изобретена М. А. Бонч-Бруевичем в 1929 г. В радио­ передающих устройствах она не использовалась до 40-х годов, так как конструкции генераторных ламп того времени с редкой недо­ статочно экранирующей сеткой и большой индуктивностью сеточ-

пого вывода не позволяли получить устойчивую работу генератора на коротких волнах. Практическое применение схемы с общей сет­ кой началось в 1945 г. после успешной реконструкции на Москов­ ском радиопередающем центре коротковолнового передатчика. Его мощный 100-киловаттиый каскад был построен по оригиналь­ ному варианту двухтактной схемы. В ней между сетками ламп обоих плеч включался один общий конденсатор, в поле которого автоматически устанавливался нулевой потенциал. В настоящее время такие схемы получили название схем «с плавающей сеткой»

или «с плавающим нулевым потенциалом».

При таком включении связь входной и выходной цепей сильно ослабляется, так как проходной в схеме будет уже емкость анод— катод Can^Cag, что и ослабляет связь. Возбуждающее напряже­ ние вводится в цепь катода лампы и действует относительно за­ земленной сетки. Катод лампы находится под полным возбужда­ ющим напряжением Ue и поэтому изолируется от «земли» специ­ альными высокочастотными дросселями ^ к а т 1)- Управляющая сет­ ка лампы заземляется через емкость Cg. Перенесение точки зазем­ ления с катода на сетку по сравнению со схемой с заземленным катодом как бы переворачивает входную цепь, а поэтому схема носит еще название инверсной (т. е. перевернутой).

Рассмотрим распределение потенциалов и фазовые соотноше­ ния в схеме с общей сеткой. На рис. 5.26 показан вариант схемы с источниками питания и обозначением полярности действующих колебательных напряжений. Знаки полярности, соответствующие положительному полупериоду напряжения возбуждения, даны в скобках. Следует учесть, что независимо от способа включения лампы (с общим катодом, сеткой или анодом) переменные напря­ жения, действующие между ее анодом и катодом ия и между сет­ кой а катодом ug, всегда противофазны, т. е. сдвинуты на 180° (я). Как видно из схемы, колебательный контур предыдущего каскада возбудителя входит в анодную цепь генератора с общей сеткой. Поэтому анодный ток генератора протекает через контур возбу­ дителя и подвергается действию напряжения Ue. Таким образом, анодная цепь является типичным случаем последовательного вклю­ чения двух генераторов с напряжениями JJg и Uа, работающих на общую нагрузку — анодный контур (R &) генератора с общей сет­ кой (см. рис. 5.2s).

Известно, что импульсы анодного и сеточного токов проходят в положительный полупериод возбуждающего напряжения. Мак­ симальные значения этих токов 4 макс и 4 макс, а также их первых гармоник / аь Igi совпадают по фазе с напряжением возбуждения Ug. В такой момент во входной цепи действует максимальное ре­ зультирующее напряжение егмакс> а на лампе (анод—катод) — минимальное остаточное напряжение еампнПрохождение первой гармоники / ai через анодный контур генератора, как и в обычной

‘) Выбор величины индуктивности катодных дросселей и их выполнение пояоняются ниже, в § 5.3.

130