Общие сведения о генераторах с внешним возбуждением
Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) является самым распространенным каскадом современных РПУ.
ГВВ преобразует энергию источника питания в энергию ВЧ колебаний по закону внешнего возбуждения на входе и могут выполнять разные функции.
Если частота генерируемых колебаний совпадает с частотой возбуждения (fВЫХ = fВХ ), то ГВВ называют усилителем мощности колебаний.
ГВВ, преобразующие частоту колебаний в кратное целое число раз ( fВЫХ = nfВХ , где n = 2, 3,… ) называют умножителями частоты.
ГВВ, изменяющими амплитуду по закону сообщения – модуляторами.
Если на выходе формируется частота, равная сумме или разности частот двух входных сигналов (fВЫХ = fВХ ± f ) – смесителями (преобразователями).
В качестве АЭ в ГВВ применяют вакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, клистроны, ЛБВ, магнетроны, твердотельные двухполюсники (туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды) и другие приборы, перечень которых все время расширяется.
ГВВ должен вырабатывать требуемую мощность в нагрузке в заданной полосе частот. При этом на параметры ГВВ могут накладываться определенные ограничения (например, АЧХ по мощности, уровень подавления побочных гармонических составляющих, диапазон рабочих условий, масса, габаритные размеры и т. д.). 1
ВыхЦС
ZП
ВхЦС
Принципиальная схема ГВВ
2
Структурная схема ГВВ
Всостав любого ГВВ входят:
•активный элемент (АЭ);
•цепи питания и смещения АЭ с элементами блокировки ;
•цепь возбуждения, по которой на вход АЭ подается РЧ сигнал от возбудителя (или предусилителя);
•входная (ВхЦС) и выходная (ВыхЦС) цепи согласования;
•нагрузка ZП;
Цепи согласования служат:
•для трансформации сопротивлений (согласования) источника и нагрузки;
•для формирования необходимой формы токов и напряжений, обеспечивающих требуемый режим работы ГВВ (обеспечить нужное для АЭ сопротивление нагрузки);
•для подавления (фильтрации) высших гармоник.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ГВВ . |
3 |
|
Источник периодического возбуждения uВ (t) с внутренним сопротивлением ZВН(j ), ВхЦС и источник постоянного смещения ЕС создают на входе АЭ напряжение uВХ(t):
uВХ(t)=EC+uВОЗ(t) |
(1) |
Под действием напряжения uВХ(t) и при включенном источнике питания выходной цепи ЕП на выходе АЭ появляется периодический ток iВЫХ(t).
Этот ток протекает по входной цепи четырехполюсника ВыхЦС с сопротивлением ZН(j ) и образует на нем падение напряжения uН(t), в результате
на выходе АЭ получается напряжение |
|
|
uВЫХ(t)= ЕП - uН(t)= ЕП - ZН(j ) iВЫХ(t). |
(2) |
|
Сопротивление ZН(j ) – нагрузка выходной цепи АЭ, при этом |
ZН(j ) ZП – |
|
сопротивлению реального потребителя. |
iВЫХ |
|
iВХ |
|
|
ZВН |
uВОЗ |
uВХ |
|
uВЫХ |
|
ZН |
|
ВхЦС |
АЭ |
uН |
ВыхЦС |
ZП |
|||
uв |
|
СБЛ1 |
|
|
СБЛ2 |
|
|
|
|
EC |
|
|
EП |
|
|
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ГВВ . |
4 |
Назначение ВыхЦС — трансформировать ZП в сопротивление ZН для получения расчетного режима АЭ на частоте рабочей гармоники тока iВЫХ(t).
На остальных гармониках и на постоянном токе ZН должно быть близко к нулю. Тогда ВыхЦС будет пропускать к нагрузке ZП поток мощности на частоте только 1-ой (в усилителе мощности) или только N-ой (в умножителе частоты) гармоники и не пропускать поток мощности на остальных гармониках.
Конденсаторы СБЛ1, СБЛ2 (рис. 1.) шунтируют источники питания ЕС, ЕП и защищают (блокируют) их от токов высокой частоты.
ZН
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ГВВ . |
5 |
|
Tp
uВХ
|
|
iA |
0 |
1 , |
|
f0 |
|
|
1 |
LC |
|
|
|
|
|
|
LC |
|
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
eA |
= L= 1/ C= |
|
|
L |
|
|
|
||||
iC |
|
CK LK uK |
0 |
0 |
|
|
|
C |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
eC |
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
L |
|
|
2 |
uC |
|
|
Rэкв Q LQ |
|
|
2 |
r |
||||||
I |
|
IAn |
C |
Cr |
Q |
r |
|||||||
|
Cn |
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IC 0 |
СБЛ С |
|
СБЛ А |
|
I A0 |
EA |
iK |
||
EC |
|
|
||
EC |
|
EA |
|
|
|
|
|
Пунктиром показаны цепи |
Tp |
eК |
CK |
LK |
uK |
iБ |
|
|
|||
протекания постоянных |
uВХ |
uБ еБ |
|
|
|
составляющих входных |
|
|
|||
IБn |
IКn |
|
|
||
и выходных токов АЭ |
|
|
|
||
|
|
n=1 |
n=1 |
|
|
|
|
|
|
|
Q |
|
L |
|
1 |
IБ 0 |
СБЛ Б |
IК 0 |
СБЛ К |
EA |
|
r |
r |
|
Cr |
EБ |
|
|
|
|
r << |
|
|
EБ |
|
E |
|
|||
|
|
|
|
6 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
В установившемся режиме периодические входные напряжение uВХ(t) и ток
iВХ(t) можно представить рядами Фурье: |
|
|
|
|
|
uВХ (t) EC UВХn cos(n ВХ t |
ВХn ) ; |
(3) |
n 1 |
|
(4) |
|
|
|
iВХ (t) IВХ 0 IВХn cos(n ВХ t |
ВХn ) , |
|
n 1
где ВХ – угловая частота входного сигнала; п – номер гармоники; ВХn, ВХn - фазы п-х гармоник напряжения и тока.
•Если АЭ (например, лампа, ПТ) возбуждается гармоническим напряжением
uВХ( )=EC+UВХ cos |
(5) |
где = ВХt+ ВХ1 - нормированное время, =0...2 ; UВХ=UВХ1 - амплитуда первой гармоники напряжения; UВХn=0, п= 2, 3, ... При этом все гармоники тока IВХn могут отличаться от нуля.
•Если АЭ возбуждается гармоническим током (например, если АЭ - БТ), то
iВХ(t)=IВХ0+IВХ cos
(6)
а все гармоники напряжения могут быть отличны от нуля.
iВЫХ ( ) IВЫХ 0i IВЫХn cos(n ВЫХn )
Периодический выходной ток ВЫХn( 1) также можно представить рядом Фурье:7
где IВЫХ0 - постоянная составляющая выходного тока; IВЫХn, j ВЫХn - амплитуды и фазы п-х гармоник.
|
Напряжение на выходе АЭ определится как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uВЫХ ( ) EП ZН 0 IВЫХ 0 |
ZН n ВХ |
IВЫХn |
cos( |
n |
ВЫХn |
Нn ) ; |
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
где ZН(0) - входное сопротивление ЦС постоянному току, обычно |
ZН(0) 0; |
||||||
ZН(nwВХ) - модуль сопротивления нагрузки на частоте nwВХ; jнn - его фаза;. |
|
||||||
Обозначим через UНn амплитуду падения напряжения на ЦС от п-й гармоники тока iВЫХ( ):
UНn= Н n ВХ)IВЫХn |
(8) |
|
С учетом ZН = напряжение uВЫХ( ) равно |
ВЫХn |
Нn ) ; |
uВЫХ ( ) EП UНn cos(n |
||
n 1
(9)
Обычно ВыхЦС включает колебательный контур. Входное сопротивление ВыхЦС ZН( ) мало на частотах всех гармоник, кроме рабочей:
ZН(N вх)>> ZН(n вх), n N. 8
Здесь N – рабочая гармоника (N=1 – ГВВ; N=2, 3, … - умножитель частоты).
|
|
Поэтому напряжение uН( ) получается почти гармоническим; тогда |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uВЫХ ( ) EП UНN cos(N |
ВЫХN |
НN ) ; |
(10) |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
а амплитуды остальных n-ых гармоник напряжения близки к нулю (UНn 0), хотя |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
амплитуды этих же гармоник тока IВЫХn соизмеримы с IВЫХN. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
В режиме настроенной нагрузки для усилителя мощности (N=1) Н1=0, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ZН(j ВХ)=RН, и, соответственно, для умножителя при НN= 0 |
ZН(jN ВХ)= RНN. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Колебательный контур на резонансной частоте эквивалентен сопротивлению |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ZЭКВ= Q=RЭКВ, |
|
|
( = L=1/ C, Q= /R, |
|
R – сопротивление потерь с учетом RНN). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Для высших нерабочих гармоник сопротивление Z |
= -j n/(n2-1) – не менее чем |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нn |
|
|
|
|
|
|
|
в Q раз меньше и имеет ёмкостный характер. |
eC |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
uВХ(t)=EC+uВОЗ(t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eC MAKC |
|
|
|
|
t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LK |
|
EC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Tp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uK eС МИН |
|
|
UMC |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
iC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eA |
|
|
|
б) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uC |
|
|
|
|
eC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eA MAKC |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IAn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UMA |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
БЛ С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
БЛ А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
EC |
IC0 |
|
IA0 |
EA |
eAМИН |
|
t |
|
|
|
|
||||
EC |
а) |
|
EA |
|
0 |
в) |
|
|
|
|
|
Рис.2 Схема ГВВ на лампе - а); эпюры напряжений на сетке – б) и аноде – в) |
9 |
При работе ГВВ изменение выходного тока АЭ (и тока любого электрода) происходит по закону динамической характеристики (ДХ). ДХ - геометрическое место точек в семействе статических ВАХ, соответствующих мгновенным значениям тока в зависимости от мгновенных значений напряжений на электродах АЭ.
|
= ВХt+ ВХ1 - |
|
нормированное время |
Рис. 3. Динамические характеристики лампового усилителя |
|
мощности и эпюры выходного и входного токов |
|
(режим В- с отсечкой входного и выходного токов) |
10 |