книги / Радиопередающие устройства

з а — эмиттер транзистора,— Е к. Значение обратного тока коллек­ тора определяется концентрациями неосновных носителей заря­ да вблизи коллекторного перехода. Поскольку эти концентрации зависят от температуры, значение обратного тока коллектора так­ же зависит от температуры. Поэтому обратный ток часто назы­ вают тепловым. От значения тока эмиттера ток эо не зависит и поэтому называется еще неуправляемым током коллектора. Он имеет значение порядка десятков микроампер. Это незначительная величина. Поэтому обратный ток коллектора во многих случаях можно не учитывать.

Для установления рабочей точки в исходное положение вс/ входную цепь транзистора включается постоянное напряжение смещения Е ьэ. Таким образом, в исходном режиме к переходам транзистора приложены два постоянных напряжения: смещения Е е9 и питания Е к. При этом в цепях транзистора протекают толь­ ко постоянные токи. Постоянный ток входной цепи / Бо протекает по цепи: + £ Б, база — эмиттер. — ЕьЭ. В цепи коллектора при этом протекает постоянный коллекторный ток по цепи: + £ к> через ка­ тушку индуктивности контура L, коллектор — база — эмиттер тран­ зистора, — Е к.

При включении переменного напряжения возбуждения WB= ^ B C0SG>t во входной цепи 'появляется переменная составляю­ щая входного тока, протекающая по цепи: от источника напряже­ ния возбуждения (точка /, рис. 1.11), база — эмиттер, к источнику возбуждения (точка 2). Транзистор, как известно, является элек­ тронным прибором, управляемым током. Это значит, что измене­ ние в небольших пределах напряжения на эмиттерном переходе Uэб вызывает значительное изменение входного / Б, а следова­ тельно, и выходного / к токов. Поскольку рабочий участок вольтамперной характеристики прямолинейный, то ток базы и ток кол­ лектора будут также косинусоидальными.

Переменная составляющая коллекторного тока iK протекает в выходной цепи: коллектор — база — эмиттер, через источник пита­ ния £ к (через Сбл), контур LC, коллектор. На контуре переменная составляющая коллекторного тока создает переменное падение на­ пряжения WK= ^ K COSG)^, значение которого больше, чем на входе. Таким образом, в транзисторном генераторе с внешним возбужде­ нием осуществляется усиление колебаний по току, напряжению, а следовательно, и по мощности.

1.5. РЕЖИМ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА КОЛЕБАНИЯМИ ПЕРВОГО РОДА

Общие сведения. Режим работы генератора, при котором перемен­ ный ток /вых в выходной цепи протекает на протяжении всего пе­ риода колебаний во входной цепи генератора, называется режи-

Рис. 1.13. Графики токов и напряжений при колебаниях первого рода

мом колебаний первого рода. Для осуществления такого режима рабочую точку в исходном состоянии на входной характеристике усилительного прибора выбирают на середине линейного участка ее. На рис. 1.13 показан выбор рабочей точки в режиме колебаний

контура для постоянного тока незначительно, падением напряжения на ней пренебрегаем. Тогда можно считать, что все напряжение ис­

Р0==^а0^а0*

Эта мощность называется подводимой.

Таким образом, при действии во входной цепи только постоян­ ного напряжения смещения и отсутствии напряжения возбужде­ ния вся мощность, расходуемая источником питания, выделяется

= Е с + исcosco/. В этом случае в выходной— анодной — цепи кро­ ме постоянного анодного тока протекает еще и переменный анод­ ный ток / а~. Так как рабочая точка находится на прямолинейной части характеристики лампы, то приращение анодного тока прямо пропорционально приращению напряжения на сетке. В результате этого анодный ток изменяется по тому же закону, что и напряже­ ние на сетке, т. е. ia = / ao + /a~ cos со/. Будем считать, что во время положительного полупериода напряжения возбуждения перемен­ ный анодный ток внутри лампы протекает от анода к катоду, че­ рез источник анодного питания, контур, к аноду. Во время отрица­ тельного полупериода он протекает в обратном направлении. На­

-жения источника анодного питания Еа и переменного напряжения на контуре ик. Принимая за положительное направление тока во вне­ шней цепи от катода через сопротивление нагрузки к аноду и от­ считывая потенциалы относительно катода, видим, что падение напряжения на контуре ик совпадает по фазе с напряжением на сетке ис. Здесь же видно, что напряжение на аноде лампы иа отно­ сительно катода противоположно по фазе напряжению на сетке ис.

Переменное напряжение на аноде лампы ua = Ua cos является -выходным напряжением генератора. Поскольку протекающий че­ рез контур анодный ток ia = / a~ cos со* и создаваемое им на контуре падение напряжения ua = Uacos со/ по фазе совпадают (так как R3 активное), то в контуре выделяется мощность Р ~ =0,5 Ia~ U a.

Энергетические соотношения в анодной цепи генератора. Полу­ чение в выходной цепи генератора мощности колебаний радиочас­ тоты является конечной целью работы генератора с внешним воз­ буждением. Эта мощность получается в результате преобразова­ ния энергии источника питания с помощью управляемого электрон­ ного потока. На создание ее источник питания расходует мощность

вается на аноде в виде тепла и является мощностью потерь в анод­ ной цепи генератора. Тогда коэффициент полезного действия анод­ ной цепи генератора т] = Р~ /Р0. Этот коэффициент называют элек­ тронным КПД генератора, так как он характеризует эффектив­ ность преобразования энергии источника питания в энергию ра­ диочастоты. Напомним, что перенос энергии от источника питания в колебательный контур осуществляется электронным потоком, движущимся внутри лампы. Происходит этот процесс следующим образом. Электроны, движущиеся в ускоряющем электрическом поле, отбирают энергию от поля. И, наоборот, электроны, движу­ щиеся в тормозящем поле, отдают энергию тормозящему их полю. В ламповом генераторе радиочастоты электроны ускоряются по­ стоянным электрическим полем, создаваемым напряжением источ­ ника питания Е а. При этом они приобретают кинетическую энер­ гию и движутся от катода к аноду. Но электрическое поле внутри лампы — переменное. Оно создается переменным напряжением на

Е а энергию отдают контуру, а во время второго полупериода отби­ рают ее. Но так как суммарный анодный ток (количество электро­ нов) во время первого полупериода больше, чем во время второго (ia\> ia 2 на рис. 1.14), то за период в целом в контур вносится не­ которое количество энергии. Таким образом, пополнение энергии в контуре происходит через каждый полупериод. Количество вноси­ мой за период энергии в контур зависит от соотношения величин токов в первый iai и во второй ia2 полупериод. Чем больше эта раз­ ница, тем выше электронный КПД выходной цепи генератора.

Таким образом, принцип генерации колебаний радиочастоты ос­ нован на взаимодействии электронного потока с электрическим по­ лем, создаваемым колебательной системой. А переменное магнит­ ное поле создается током контура. Оно сосредоточено вне лампы.

Широкое применение генераторов с внешним возбуждением в радиоаппаратуре гражданской авиации требует значительных за ­ трат энергии. Поэтому КПД является важным показателем гене­ ратора, особенно для летательных аппаратов.

Коэффициент полезного действия. Для улучшения энергетичес­ ких показателей радиоустройств летательных аппаратов нужно как можно больше повышать коэффициент полезного дей­ ствия генераторов с внешним возбуждением. Определим макси­ мально возможный КПД анодной цепи генератора при работе его в режиме колебаний первого рода. Из определения КПД следует, что для повышения его нужно увеличивать полезную мощность Р~, для чего требуется большее значение переменной составляю­ щей анодного тока 1а„ , а для этого нужно увеличивать напряже­ ние возбуждения. Наибольшее значение / а~ при колебаниях пер­ вого рода, как видно из рис. 1.13,а, не превышает значения посто­ янной составляющей анодного тока, т. е. / а.Макс = / ао. Получить

сверху и снизу. А это уже режим колебаний второго рода. Наи­ большее значение переменной составляющей напряжения на ано­

напряжение на аноде еа.мин=£а—Uа будет отрицательным. Это оз­ начает, что на протяжении какой-то части периода колебаний анод­ ный ток не будет протекать. Такие колебания также не являются

торов это очень низкий КПД. Поэтому в радиоустройствах лета­ тельных аппаратов генераторы в режиме колебаний первого рода не работают. Колебания первого рода используются в маломощ­ ных усилителях и в тех случаях, когда низкий КПД не ухудшает энергетических показателей устройства в целом.

Физическая сущность низкого КПД при колебаниях первого рода состоит в том, что в этом режиме на протяжении всего пери­ ода изменения напряжения возбуждения через лампу протекает большая постоянная составляющая анодного тока / ао, что приводит к дополнительным потерям энергии на нагревание анода и других элементов схемы. Как было показано выше, для повышения КПД

лупериода выходного тока не будет, т. е. нижняя половина тока как бы отсекается.

2. При увеличении напряжения смещения рабочая точка смес­ тится еще больше влево и выходной ток будет проходить на про­ тяжении времени, меньшем половины периода (рис. 1.15,6).

3.Если рабочую точку переместить вправо (рис. 1.15,в), то ток

ввыходной цепи будет протекать на протяжении части периода, большей полпериода.

Таким образом, при колебаниях второго рода ток в выходной цепи усилительного прибора генератора имеет форму периодичес­ кой последовательности импульсов, продолжительность которых зависит от значения напряжения смещения.

По форме импульсы выходного тока генератора бывают: коси­ нусоидальные — имеют вид косинусоиды (но нагляднее рисовать их синусоидальными), как показано на рис. 1.15; косинусоидаль­ ные притупленные — верхняя часть косинусоидального импульса несколько притуплена за счет верхнего изгиба характеристики уси­ лительного прибора (рис. 1.15,г, импульс А)\ косинусоидальные с верхней отсечкой — верхняя часть импульса значительно срезана (рис. 1 .1 5 ,2 , импульс В).

Косинусоидальные импульсы выходного тока характеризуются двумя основными параметрами: амплитудой импульса / а.м и углом

го рода, а при О <0<18О ° — в режиме колебаний второго рода. В

Гармонический анализ импульсов выходного тока генератора. Для анализа тока, протекающего в виде периодической последова­ тельности импульсов косинусоидальной формы, пользуются теоре­ мой Фурье. Согласно теореме Фурье периодическая последователь­ ность косинусоидальных импульсов тока может быть представле­ на в виде суммы ряда гармонических составляющих и постоянной составляющей:

где Iвыхо — постоянная составляющая / ВЫхь /выхп — гармонические составляющие, часто называемые просто гармониками.

Первая гармоническая составляющая /BbixiCoscot является осно­ вной. Ее амплитуда наибольшая, а частота равна частоте напряже­ ния возбуждения. Амплитуда высших гармоник с увеличением номера гармоники уменьшается, а частота возрастает.

да в генераторе осуществляется усиление на частоте возбуждения. Для режима колебаний второго рода это является важным досто­

Графики токов и напряжений в генераторе, работающем в ре­ жиме колебаний второго рода, приведены на рис. 1.18. Ток пер­ вой гармоники для колебательного контура является током пита­ ния. Он выделяет в контуре мощность = 0 ,5 /Вых1^выхь

Ключевой режим работы транзисторного и лампового генерато­ ра с независимым возбуждением. Ключевой режим работы гене­ ратора применяют для повышения КПД его выходной цепи. В клю­ чевом режиме может работать как ламповый, так и транзисторный генератор.

Чтобы уяснить сущность процесса повышения КПД, напомним некоторые моменты физического процесса преобразования энергии источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты. Вы­ ше было показано, что перемещение энергии от источника пита­ ния в контур осуществляется носителями электрических зарядов — электронами. Движущиеся в ускоряющем электрическом поле электроны отбирают энергию от источника, а движущиеся в тор­ мозящем поле, создаваемом напряжением контура, — отдают ему энергию. Так происходит процесс преобразования энергии. Но в данном случае ставится задача выяснить эффективность процесса преобразования, т. е. определить, какая часть энергии источника питания преобразуется в энергию тока высокой частоты, иначе определить КПД выходной цепи генератора. Для наглядности по­ яснения удобно пользоваться кривыми, приведенными на рис. 1.19, которые отображают работу генератора колебаниями второго ро­ да при синусоидальной форме колебаний. Передача энергии в кон­ тур движущимися в тормозящем поле электронами происходит во

время первого (на рисунке) полупериода — в промежутке вре­ мени t\—/4. В этот промежуток времени электроны перемещают­ ся от катода к аноду (или от эмиттера к коллектору), в тормо­ зящем поле переменного напря­ жения на контуре ивых- Чем больше ток (больше движущих­ ся зарядов) и интенсивнее тор­ мозящее поле, тем эффективнее процесс преобразования энергии. Из рис. 1.19 видно, что при гар­ монической форме колебаний тормозящее поле различное в разные моменты времени. На­ пример, в момент t2 оно мень­ ше, чем в момент £3. Из этого следует, что эффективность пре-