Схемы соединения генераторов

Учебные вопросы:

1 Назначение выходного каскада

2 Простая схема выходного каскада

3 Сложная схема выходного каскада

4 Параллельная схема соединения генераторов

5 Двухтактная схема соединения генераторов

1 Назначение выходного каскада

Выходным каскадом передатчика называется его оконечный каскад, работающий на антенну, т. е. каскад, отдающий мощность радиочастотных колебаний в антенну непосредственно или через фидер.

Выходной каскад передатчика должен удовлетворять следующим основным требованиям: создавать необходимую мощность передатчика в антенне (фидере), осуществлять фильтрацию высших гармонических составляющих и согласовывать выходное сопротивление генератора с входным сопротивлением нагрузки.

Основное ослабление высших гармоник обеспечивается колебательной системой выходной цепи каскада. Нагрузка выходного каскада — антенна — включается в его выходную цепь непосредственно или через промежуточный контур. В зависимости от способа включения антенны в выходную цепь генератора различают схемы выхода: простую и сложную.

2 Простая схема выходного каскада

Простой схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой антенна включается, непосредственно в анодную (коллекторную) цепь выходного каскада, как показано на рис. 1.50. В этой схеме выходной контур образован индуктивностями катушки связи LCB и катушки настройки LH (вариометр) и параметрами антенны RA и ХА, т. е. антенный контур является выходным.

Переменные индуктивности для передатчиков бывают двух конструкций: со скользящим контактом и в виде вариометра.

В цилиндрической или спиральной катушке со скользящим контактом индуктивность изменяется за счет плавного перемещения контакта по виткам катушки. Таким образом изменяется число витков катушки, входящих в контур, и, следовательно, индуктивность контура Lк. Практика показала, что коэффициент перекрытия по индуктивности катушки со скользящим контактом не следует делать больше, чем Lк max/ Lк min=20... 25. При большем перекрытии получаются слишком большие габаритные размеры катушки, а при работе с малой индуктивностью в нерабочей части катушки могут возникать паразитные резонансы. Главным недостатком таких катушек является малая надежность скользящего контакта, по которому протекает большой ток радиочастоты. Основная область применения—каскады большой и средней мощности передатчиков ВЧ.

Вариометры преимущественно используются на длинных и средних волнах (низкие и средние частоты). Вариометр — это система двух катушек цилиндрической или шарообразной формы, расположенных одна в другой так, что меняя положение одной относительно другой, меняют взаимную индуктивность. Перекрытие по индуктивности вариометра чаще всего не более 3. У сложных и дорогих вариометров конструкции «шар в шаре» перекрытие не более 5. Надежность вариометров выше, чем катушек со скользящим контактом, именно в связи с отсутствием такого контакта.

Простая схема — одноконтурная. Настройка контура на рабочую частоту осуществляется вариометром LH. Подбор оптимального сопротивления нагрузки выходной цепи электронного прибора Rэ.опт осуществляется подбором коэффициента включения pL путем переключения числа витков катушки связи LCB.

Недостатки простой схемы:

низкая фильтрация высших гармоник, не обеспечивающая заданных норм;

при обрыве антенны оставшиеся элементы не обеспечивают оптимальмальное сопротивление нагрузки и вся подводимая мощность рассеивается на аноде лампы или коллекторе транзистора, что приводит к их перегреву и выходу из строя.

Поэтому простая схема выходного каскада в современных радиопередатчиках практически не применяется. Она может быть пользована лишь в маломощных передатчиках с малыми габаритными размерами, экономичность и простота управления, которых являются решающими требованиями.

3 Сложная схема выходного каскада

Сложной схемой выходного каскада передатчика называется схема, в которой антенна подключается к выходной цепи оконечного каскада не непосредственно, а через промежуточный контур. В этом случае колебательная система выходной цепи состоит из двух контуров: антенного и промежуточного (одного или нескольких). Кроме того, могут быть добавлены фильтры.

На рис. 1.49 приведена схема выходного каскада с автотрансформаторной связью промежуточного и антенного контуров. Мощность генератора в этой схеме в антенну передается из контура. Таким образом, контур выходной цепи является промежуточным звеном передачи энергии от генератора в антенну. Поэтому он и называется промежуточным.

Схема выходного каскада на транзисторе, включенном с общим эмитором, приведена на рис. 1.51. Транзистор работает в режиме колебаний второго рода. В отсутствие напряжения возбуждения транзистор закрыт напряжением смещения +ЕБэ и токи в цепи базы и коллектора не протекают. Во время положительного полупериода входного сигнала транзистор открывается, рабочая точка на характеристике транзистора смещается вверх. В цепи коллектора протекает ток, форма которого близка к синусоидальной.

Достоинства сложной схемы:

лучшая, чем в простой схеме, фильтрация высших гармоник;

более точная и более широкая регулировка значений сопротивления нагрузки в выходной цепи генератора, так как она выполняется двумя способами: изменением связи промежуточного контура с антенной и коэффициента включения контура в выходную цепь генератора (анодную, (Коллекторную);

удобство в эксплуатации: настройка контура в резонанс и регулировка связи мало зависят одно от другого.

Недостатки сложной схемы:

КПД выходной цепи ниже из-за потерь энергии на промежуточном контуре и других элементах связи;

сложнее конструкция колебательной системы, больше ее габаритные размеры и масса;

сложнее настройка из-за большого числа регулируемых элементов.

В тех случаях, когда двухконтурная схема не обеспечивает заданной фильтрации, применяются дополнительные фильтрующие системы, представляющие собой фильтры низкой или высокой частоты, а также их сочетание. Часто применяют П-образные контуры, так как они обладают лучшей фильтрацией высших гармоник.

4 Параллельная схема соединения генераторов

Параллельное соединение. В том случае, когда одна лампа или транзистор не обеспечивают заданной мощности, а другие электронные приборы такой же мощности не подходят по каким-либо другим параметрам, применяют соединение нескольких электронных приборов для работы на одну общую нагрузку. Наиболее простым способом соединения электронных приборов является их параллельное включение, пример которого показан на рис. В этих схемах одноименные электроды по радиочастоте соединены параллельно. Так в схеме на рис. аноды ламп соединяются общим проводом, к середине которого подводится провод от нагрузки и от источника питания. Управляющие сетки ламп по постоянному току имеют индивидуальное питание для того, чтобы можно было подбирать режим каждой лампы отдельно.

Для нормальной надежной работы параллельно включенных электронных приборов их параметры и режимы должны быть одинаковыми, а возбуждение синфазное.

При одинаковых электронных приборах их выходные токи IВых равны. Общий ток первой гармоники выходного тока IВых равен сумме первых гармоник отдельных электронных приборов:

IВых общ = I 'вых + I"вых. Так, при двух одинаковых электронных приборах общий ток будет в 2 раза больше. Это позволяет уменьшить сопротивление нагрузки Rэ в два раза, а при нескольких электронных приборах в n раз. Уменьшение требуемого эквивалентного сопротивления нагрузки является достоинством параллельного включения электронных приборов.

Суммарная мощность каскада из n электронных приборов равна сумме мощностей всех электронных приборов.

Реально электронные приборы имеют разброс параметров и трудно обеспечить синфазность напряжений возбуждения. Поэтому параллельно включают не более двух-трех электронных приборов.

Но при параллельном включении электронных приборов появляются ряд недостатков. Основные из них следующие:

1. Междуэлектродные емкости электронных приборов при параллельном соединении их складываются. Это может вызвать в генераторе возбуждение паразитных колебаний.

2. При выходе из строя одной из ламп оставшаяся лампа оказывается нагруженной на сопротивление меньше оптимального, режим работы ее оказывается недонапряженным и лампа выходит из строя. Это особенно недопустимо для передающих устройств, устанавливаемых на летательных аппаратах.

Транзисторы соединять в генераторах параллельно нежелательно из-за существенной неоднородности их параметров. Только в случае подбора идентичных транзисторов их можно соединять параллельно.

5 Двухтактная схема соединения генераторов

Двухтактная схема состоит из двух обычных однотактных генераторов, соединенных общим проводом и работающих в противофазе. Лампы или транзисторы в этой схеме подключаются к контуру симметрично, образуя два плеча. Они подпитывают контур поочередно.

Физические процессы в двухтактной схеме генератора протекают следующим образом. Напряжение смещения выберем так, чтобы угол отсечки θ = 90°. При включении напряжения возбуждения на управляющие сетки ламп поступают равные, но противофазные напряжения U'c и Uʹʹc. Исходные токи ламп будут иметь форму импульсов, сдвинутых по фазе на 180°, как показано на рис. Этим двухтактная схема отличается от однотактной. В однотактной схеме в режиме класса В используется только положительный полупериод напряжения возбуждения. Отрицательный не используется, так как лампа закрыта напряжением смещения. В двухтактной схеме используются оба полупериода напряжения возбуждения. Во время положительного полупериода открыта одна лампа, а во время отрицательного полупериода — другая. В результате за один период напряжения возбуждения через контур поочередно проходят два импульса тока и подпитка контура происходит 2 раза за период, т. е. в два такта.

Пользуясь теорией Фурье, импульсы анодных токов можно представить в виде рядов:

На рис. показано графическое изображение составляющих импульсов анодного тока. Амплитуды всех гармоник должны совпадать с максимумом импульса, а фазы должны быть такими, чтобы сумма гармоник составляла форму импульса. Поскольку напряжения возбуждения на сетках ламп противофазные, то токи первой гармоники I'а1 и I"a1 будут также противофазны. Во время положительного полупериода напряжения возбуждения на сетке первой лампы первая гармоника анодного тока I'a1 проходит от анода к катоду. В это же время на сетке второй лампы отрицательный полупериод напряжения возбуждения Uc и ток первой гармоники анодного тока I"a1 проходит от катода к аноду. Через контур токи первой гармоники проходят в одном направлении, создавая на нем переменное напряжение Uа. В общем проводе питания АБ на рис. токи первой гармоники, а также всех нечетных гармоник протекают встречно и взаимно компенсируются. При полной симметрии схемы токи нечетных гармоник в общем проводе не протекают. Поэтому можно считать, что токи первой гармоники проходят только через обе лампы и контур последовательно, не заходя в общий провод. Поэтому схема и называется последовательной: лампы по переменному току включены последовательно.

Ток первой гармоники Iа1 проходя через нагрузку—-контур, создает падение напряжения

Uа. общ= Iа1Rэ.общ= Iа1Rʹэ1=2 Uк.

т. е. удвоенное по сравнению с однотактной схемой. Из рис. видно, что токи первой гармоники в двухтактной схеме складываются во времени, а не по амплитуде. Оба плеча создают в общем контуре мощность колебаний

P~ общ =0,5UK Ia1 = 0,5*2U'к I 'a1= 0,5*2U"K I" a1 = 2P'= 2Р"

т. е. удвоенную по сравнению с одним плечом.

Токи четных гармоник плеч, как это видно из рис. синфазны. Поэтому в общем проводе они складываются, т. е. удваиваются. В контуре токи четных гармоник направлены встречно и взаимно компенсируются. При полной симметрии схемы токи четных гармоник в той ветви контура, которые не связаны с общим проводом, компенсируются полностью. Обычно с общим проводом соединяют емкостную ветвь, сопротивление которой для высших гармонических составляющих значительно меньше, чем для основной. Тогда в индуктивной ветви контура четные гармоники будут отсутствовать. Антенна передатчика, связанная с этой ветвью контура трансформаторной связью, не будет излучать колебания четных гармоник. Это обеспечивает лучшую фильтрацию побочных излучений антенной передатчика.

Постоянные токи I'ао и Iʹ'ао в общем проводе складываются Iа обш. = 2Iа0. Подводимая мощность Р0 будет в 2 раза больше, чем в однотактной схеме.

Возбуждение двухтактных генераторов возможно как от однотактных, так и от двухтактных возбудителей. Но для улучшения фильтрации гармоник и обеспечения симметрии схемы лучше пользоваться двухтактными возбудителями.

Симметричные двухтактные схемы имеют ряд достоинств:

значительное ослабление четных гармоник в нагрузке генератора;

уменьшение емкости, вносимой в контур лампами, за счет последовательного соединения между собой междуэлектронных емкостей;

отсутствие в общем проводе питания первой и остальных нечетных гармоник;

более простая схема нейтрализации влияния проходной емкости.

Недостатки схемы:

сложность получения симметричной конструкции схемы;

необходимость иметь контур с большим значением Rэ и удвоенным напряжением; получить большое Rэ контура на УКВ затруднительно из-за паразитных емкостей.