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

нении междуэлектродных емкостей лампы (Cag, CgK, Сак), умень­ шающем вдвое их значения по сравнению с однотактной схемой. Это повышает максимальную частоту генерации автоколебаний.

Р ис. 7.7. Двухтактные схемы автогенераторов с обратной

связью:

а ) индуктивной; б ) емкостной

7.3. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРА

Рассмотрим более подробно условия самовозбуждения для установления в ламповом (или транзисторном) автогенерато­ ре незатухающих колебаний и количественные выражения, харак­ теризующие эти условия.

Во время работы автогенератора потери в его контуре вызы­ вают неизбежное уменьшение амплитуды колебаний. Эти потери для поддержания колебаний незатухающими непрерывно попол­ няются, и расход энергии в контуре за период колебания возме­ щается за счет анодного источника Еа.

Как известно, процесс пополнения происходит следующим об­ разом. Действующее в цепи сетки напряжение возбуждения ug вы­ зывает появление анодного тока, первая гармоника которого /ai создает на контуре напряжение uK= l&\ cos ®tRa . Часть этого на­ пряжения по цепи обратной связи подается обратно в цепь сетки. Величина подаваемого напряжения зависит от выбранного коэф­ фициента обратной связи К. На сетку после цикла работы схемы поступает некоторое напряжение U"g— K'Uа. Незатухающие коле­ бания будут существовать в схеме только в случае, если амплиту­ да напряжения возбуждения ,U"g будет точно равна первоначаль­ ной амплитуде Ug, т. е. U"g—',Ug (в установившемся режиме). Это амплитудное соотношение, характеризующее количественную сто­ рону пополнения контура энергией, является необходимым, но не­ достаточным. Для сохранения колебаний в автогенераторе (как было сказано выше) должно быть еще выполнено фазовое усло­ вие, определяющее моменты времени, в которые будет происходить пополнение контура энергией.

- Известно, что первая гармоника анодного тока 4i находится в фазе с возбуждающим напряжением ug. Создаваемое этим током напряжение на контуре ик будет также совпадать по фазе с током i'ai- Часть колебательного напряжения на контуре благодаря дей-

201

ствию цепи обратной связи возвращается в цепь сетки для само­ возбуждения. Необходимо, чтобы фаза напряжения и"8, «возвра­ щенного» цепью обратной связи, после полного цикла работы схе­ мы строго соответствовала первоначальной фазе ug. Тогда попол­ нение энергии происходит в такт с уже существующими колебания-

* ми и поддерживает их.

Для выполнения фазового условия самовозбуждения необходи­ мо, чтобы цепь обратной связи (рис. 7.8) изменяла фазу подводи-

©Та,

з

и$ Ua

мого к ней переменного напряжения £/а на 180°. Это станет ясным,

если учесть, что переменное напряжение на лампе t/a, действую­ щее на входе цепи обратной связи, сдвинуто по отношению к пере­ менному возбуждающему напряжению Ue на 180°, и, следователь­ но, для получения правильной фазы переменного напряжения, воз­ вращающегося обратно в цепь сетки (т. е. на выходе цепи обрат­ ной связи), нужно, чтобы эта цепь создавала фазовый сдвиг меж­ ду напряжениями на ее входе и выходе, равный 180°.

Таким образом, в одноконтурном автогенераторе для получе­ ния правильных фазовых соотношений необходимо к фазовому сдвигу 180°, получающемуся при работе лампы (транзистора) в режиме с нагрузкой (динамическом), добавить дополнительный сдвиг фазы на 180°, обеспечиваемый соответственным выбором элементов, образующих цепь обратной связи, в которую входит и контур автогенератора (см. рис. 7.8). В любой более сложной схе­ ме цепи обратной связи сумма фазовых сдвигов может быть рав­ на целому числу полных циклов колебаний, т. е. 360°п, где п — любое целое число.

Однако в реальной схеме даже одноконтурного автогенератора существуют причины, вызывающие нарушения идеальных фазовых условий. Это приводит к тому, что частота автоколебаний соавт обычно близка к собственной резонансной частоте ,соо колебатель­ ной системы автогенератора, но не равна ей (соаВт~.а>о) •

202

Отличие частот автоколебаний соавт и резонансной контура шо в разных схемах различно и зависит от причин, вызывающих в схеме автогенератора сдвиг фаз между напряжением на контуре UK(Uа) и током первой гармоники / аi. Любая .причина, вызываю­ щая сдвиг фаз в какой-либо части схемы автогенератора, неиз­ бежно в итоге приводит к сдвигу фаз между / а1 и V а, а следова­ тельно, и отклонению частоты генерируемых колебаний от собст­ венной частоты контура.

В цепях автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз (см.

рис. 7.8).

1. Естественный сдвиг фаз, равный 180°, создаваемый всегд лампой (транзистором) между ее входным напряжением Ue и вы­ ходным Ua в режиме с нагрузкой или динамическом режиме.

2. Сдвиг фаз фк, возникающий в цепи обратной связи межд переменным напряжением на ее входе Ua и напряжением возбуж­ дения U8 на ее выходе.

Величина сдвига ф„ определяется схемой цепи обратной связи, потерями в контуре и сеточным током. Наличие тока сетки вызы­ вает либо отставание, либо опережение по фазе напряжения (— Ue) относительно напряжения U ^U K) в зависимости от харак­ тера сопротивления цепи обратной связи— индуктивного или ем­ костного соответственно. Таким образом, из-за сеточного тока и других указанных причин нарушается (на величину >фк) необхо­ димая лротивофазность напряжений на входе и выходе цепи об­ ратной связи.

3. Сдвиг фаз фй между напряжением возбуждения '(точнее уп­ равляющим напряжением Ug—DUa) и первой гармоникой анодно­ го тока / а, возникает на очень высоких частотах вследствие прояв­ ления инерции электронов, когда конечное время их пролета в лампе приводит к некоторому отставанию анодного тока от управ­ ляющего напряжения. Аналогичное действие оказывают высшие гармоники анодного тока, искажающие импульс. При правильном выборе лампы (транзистора) в схему автогенератора, удовлетво­ ряющем условию /максЗ>/авт, этот сдвиг практически может не учи­ тываться (ф з~0).

4. Сдвиг фаз фа, вынужденно появляющийся в ’анодной цепи автогенератора между напряжением на аноде £/а и током первой гармоники / аI, для компенсации сдвигов фаз фК, фб соответствую­ щим отклонением частоты автоколебаний шавт от собственной ча­ стоты контура.

Очевидно, что для сохранения необходимых фазовых соотно­ шений между токами и напряжениями в цепях автогенератора сум­ ма фазовых сдвигов при обходе замкнутой цепи автогенератора (включая и сдвиг, создаваемый лампой) должна быть равна 0 или целому числу периодов, т. е. 2кп. Здесь п = 0, ±1, ±2, ± 3 и т. д.

В схемах одноконтурных автогенераторов при фв=0 и фк=7^0 фазовые сдвиги создаются лампой (на 180° или я) и цепью обрат­ ной связи (на 180° или я), т. е. всегда на 360° или 2я рад.

203

Условия самовозбуждения для режима незатухающих колеба­ ний могут быть выражены следующим образом.

Коэффициент обратной связи на основании (7.1) может быть представлен в виде

так как комплексное выражение всегда можно представить в виде произведения действительного числа — модуля К — на показатель­ ную функцию соответствующего фазового угла (аргумента).

Амплитуда колебательного напряжения на лампе в общем слу­

чае

Для анализа работы ламповых генераторов и автогенераторов часто пользуются усредненными параметрами, весьма удобно ха­ рактеризующими амплитудные и фазовые соотношения в устано­

связывающее на основании (4.48) амплитуды напряжения возбуж­

Это выражение получено немецким ученым Баргаузеном и на­ зывается уравнением самовозбуждения. Оно показывает, каким должен быть коэффициент обратной связи, обеспечивающий само­ возбуждение автогенератора при данных: лампе (S, D) и анодной нагрузке Zffi (Дее). Уравнение (7.10) просто преобразуется в выра­ жение вида

называемое общим уравнением автогенератора.

204

циента обратной связи (7.5) и величины анодной нагрузки (7.7) дает

Из этого выражения следуют два вывода, подтверждаемых ра­ венством комплексных чисел.

Известно, что комплексные числа равны, если порознь равны их модули и аргументы.

Это условие баланса амплитуд, требующее, чтобы амплитуда напряжения возбуждения Us была определенной величиной для данной схемы и лампы (транзистора). Если K > \/S CpZa , то коле­ бания нарастают, пока не будет достигнуто условие баланса. Он наступает из-за уменьшения средней крутизны 5 cp= / ai///g при на­ растании амплитуды колебаний и переходе генератора в перена­ пряженный режим.

Равенство аргументов —фк = фа (при фв—0) дает

— условие баланса фаз, которое требует для сохранения необ­ ходимой противофазности между амплитудами напряжений Ug и Ua компенсации сдвига фазы фк, создаваемого цепью обратной связи, фазовым углом фа (см. рис. 7.8).

В реальных схемах фк=т^0 из-за наличия сеточного тока и по­ терь в контуре, поэтому в точности равный и противофазный ему угол сдвига фа не может быть равен нулю. Следствием этого яв­ ляется отличие частоты устанавливающихся колебаний ©авт от ре­ зонансной частоты контура (о0. ■Таким образом, в автогенераторе всегда соавт¥='Со0. В противном случае условия баланса фаз (7.15) не могут быть удовлетворены, а в схеме автогенератора не возник­ нут устойчивые незатухающие колебания.

Следует помнить, что любая причина, вызывающая нарушение этих условий в схеме работающего автогенератора, приводит к мгновенному переходному процессу, в результате которого во вновь установившемся режиме (с новыми амплитудой и частотой) автоматически выполняются условия баланса амплитуд и фаз.

Изменения частоты генерируемых колебаний в автогенерато­ рах крайне нежелательны. Поэтому в схемах и конструкциях автогенераторов, предназначенных для работы в возбудителях ра­ диопередатчиков, предусматриваются дополнительные меры, ис­ ключающие нарушения режима работы. Для этого строго стабили-

205

зируются напряжения источников электропитания, поддерживают­ ся постоянными электрические параметры схемы и колебательной системы (контуры), предпринимаются меры для поддержания не­ изменной окружающей температуры.

7.4. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ

РЕЖИМЫ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе за­ висит от выбранного рабочего режима лампы (транзистора), определяемого постоянными питающими напряжениями и величи­ ной коэффициента обратной связи. Особую роль при выборе режи­ ма играет напряжение смещения Eg, потому что оно определяет первоначальную крутизну на характеристике управляющего эле­ мента. Если точка, определенная величиной смещения, оказывает­ ся в области большой крутизны, то самовозбуждение наступает легко, так как малейшие изменения входного напряжения вызы­ вают значительные изменения тока в выходной цепи. Возникшие колебания, естественно, усиливаются и неустойчивое состояние автогенератора быстро переходит в устойчивый процесс генерации. Наступает электрическое равновесие, при котором амплитуды ко­ лебательных токов и напряжений устанавливаются неизменными.

Возможны два основных режима самовозбуждения.

1. М я г к и й р е ж и м с а м о в о з б у ж д е н и я , при которо в автогенераторе обеспечен коэффициент обратной связи К доста­ точной величины (больше критического), а рабочая точка нахо­ дится на прямолинейном участке рабочей характеристики с достаточной крутизной. Обычно это обеспечивается выбором сме­ щения Eg= 0. В этом случае процесс возникновения и нарастания колебаний будет происходить в соответствии с рис. 7.9. Положение рабочей точки на участке большой крутизны (точка 0 ') обеспечи­ вает начальный колебательный режим без отсечки анодного тока и облегчает самовозбуждение. В этих условиях оно возникает от самых малых электрических толчков в схеме, происходящих при включении, или, например, от тепловых флуктуаций, нарушивших ее неустойчивое равновесие. Амплитуды анодного тока вначале нарастают очень быстро. С приближением к граничному режиму рост анодного тока замедляется из-за возрастания сеточного. По­ явление сеточного тока вызывает уменьшение средней крутизны характеристики и ограничивает дальнейший рост анодного тока. Кроме того, в результате появления и возрастания сеточного тока в контур автогенератора из цепи сетки (через цепь обратной свя­ зи) вносится активное сопротивление. В результате уменьшаются сопротивление анодного контура и коэффициент обратной свя­ зи К. Все это приводит к наступлению в схеме автогенератора уста­ новившегося режима, когда K « l/-5 cpZoe. Аналогичная картина, но с несколько замедленным нарастанием анодного тока в начале возникновения колебаний будет при небольших смещениях на сет­

206

ке, меньших напряжения запирания E'g, т. е. во всех случаях, ког­ да точка Eg располагается правее точки E'g на оси абсцисс.

2. Ж е с т к и й р е ж и м с а м о в о з б у ж д е н и я , при котором первоначально заданное от отдельного независимого источника не­

которое смещение Eg больше, чем напряжение запирания E'g

(рис. 7.10).

При этом незначительные колебания, возникшие в контуре и переданные через цепь обратной связи, уже не могут вызвать ток в выходной цепи и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возникают только при очень большой начальной ам­

207

плитуде, что не всегда можно обеспечить в схеме. Процесс возник­ новения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуж­ дения приведен на рис. 7.10. Из рисунка видно, что при малых на­ чальных амплитудах возбуждения Ug (область I) лампа заперта и колебания не возникают (затухают). При большой начальной ам­ плитуде (область II) колебания возникают и быстро нарастают до установившегося режима.

С точки зрения удобства эксплуатации автогенератора целесо­ образнее применять мягкий режим самовозбуждения. При нем ко­ лебания возникают сразу при включении без применения какихлибо дополнительных мер возбуждения. Однако при жестком ре­ жиме колебаний с углом отсечки 0<9О° обеспечиваются более вы­ сокий кпд автогенератора и меньшие тепловые потерн. Поэтому в

установившемся режиме автогенератора более выгоден именно ре­ жим с малыми углами отсечки анодного тока (|0<9О°), что полу­ чается при относительно большом напряжении смещения Eg.

Эти противоречивые требования удовлетворяются применением в автогенераторах автоматического смещения за счет элементов Rg и Cg в цепи управляющей сетки. При включении автогенератора, т. е. в момент появления колебаний, напряжение смещения отсут­ ствует, так как сеточного тока нет и генератор возбуждается лег­

ко в условиях мягкого режима самовозбуждения. С нарастанием колебаний увеличивается амплитуда сеточного тока (рис. 7.11), а следовательно, и его постоянная составляющая. Она создает на сопротивлении Rg возрастающее падение напряжения Eg = Ig0 Rg, которое переводит автогенератор в режим работы с малыми угла-

ми отсечки. Таким образом, цепь автоматического смещения в ав­ тогенераторе выполняет роль регулятора процесса самовозбужде­ ния и обеспечивает в первоначальный момент условия мягкого са­ мовозбуждения с последующим переходом в более выгодный ре­ жим с малыми углами отсечки (режим С).

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Процесс возникновения и установления автоколебаний удобно поясняется при помощи колебательных характеристик и линий обратной связи.

Колебательной характеристикой называется зависимость тока первой гармоники 7аi от амплитуды возбуждения Ugl т. е. IM — f(U g) при неизменных величинах коэффициента обратной связи К и на­ пряжении смещения Eg.

Эти зависимости носят нелинейный характер и могут быть по­ лучены экспериментально (путем перевода генератора в режим с внешним возбуждением). Вид колебательной характеристики в основном зависит от напряжения смещения Eg. На рис. 7.12 пока-

заны колебательные характеристики, снятые при разных напряже­ ниях смещения. Возрастание амплитуды тока 7а! на этих характе­ ристиках происходит до граничного режима, затем вследствие пе­ рераспределения тока катода в лампе и влияния увеличивающего­ ся сеточного тока (о чем говорилось выше) .амплитуды тока /ai уменьшаются и образуют характерный загиб колебательных ха­ рактеристик.

Колебательная характеристика 2, соответствующая условиям жесткого режима самовозбуждения, отличается от характеристики 7, так как снята при смещении, превышающем напряжение запи­ рания, т. е. Eg> E 'g. В этом случае анодный ток возникает только при амплитуде напряжения возбуждения на сетке Ug> Eg—E'g.

209

Из-за кривизны нижнего участка характеристики лампы возраста­ ние анодного тока / аi вначале медленное, затем оно увеличивается с увеличением крутизны и вновь замедляется, прекращая рост при переходе через граничный режим.

Линиями или прямыми обратной связи называются зависимо­ сти напряжения на сетке Ug от первой гармоники анодного тока/аь в автогенераторе амплитуда напряжения возбуждения зависит от коэффициента обратной связи K —lUgJUa.

Таким образом, при определенных К и R а амплитуда возбуж­ дения Ug прямо пропорциональна амплитуде тока / аь Эта зависи­ мость линейна в недонапряженной области при отсутствующих или малых токах сетки. Графически она выражается прямыми ли­ ниями, выходящими из начала координат. Наклон этих прямых различен н зависит от величины коэффициента обратной связи (рис. 7.13). Чем сильнее обратная связь в автогенераторе, тем меньший угол наклона имеет линия обратной связи относительно оси Ug. Таким образом, в автогенераторе одновременно сущест­ вуют две взаимосвязанные зависимости.

Первая — нелинейная — между первой гармоникой анодного тока / а1 и амплитудой напряжения возбуждения Ug, выражаемая графически колебательной характеристикой, т. е. Iai — f(U g).

Вторая — линейная — между возбуждением напряжения Ug и током первой гармоники /аь выражаемая графически линией об­ ратной связи, т. е. Ug— KIаь

В установившемся режиме автогенератора амплитуда напря­ жения возбуждения Ug и соответствующая данному режиму ам­ плитуда первой гармоники тока / а[ должны одновременно удов­ летворять этим двум зависимостям. Это возможно только в общих точках пересечения двух графиков, совмещенных в одном мас­ штабе, как это показано на рис. 7.14.

Рассмотрим характерные общие точки графиков.

1. Прямая обратной связи (Ki на рис. 7.14а) пересекает ко­ лебательную характеристику и имеет с ней общую точку только в начале координат 0. В этом случае самовозбуждения автогенера­ тора не происходит из-за малой величины коэффициента обратной связи или малого сопротивления контура.

2. В условиях мягкого режима самовозбуждения линия обрат­ ной связи (Кп на рис. 7.14а) пересекается с колебательной харак­ теристикой в двух точках 0 и 2. Точка 0 является неустойчивой, так как в ней возникшие колебания вне зависимости от величины начальной амплитуды нарастают до установившихся (устойчивых)

3. В условиях жесткого режима самовозбуждения (рис. 7.146) линия обратной связи пересекается с колебательной характеристи­ кой в трех точках: 0, 2 и 3. Точка 0 характеризует устойчивое со-

210