Лекция 10 (лекции по УГФС), страница 4

Как видно, чем меньше коэффициент включения контура, тем меньше его КПД, тем, следовательно, хуже эффективность передачи энергии согласующей цепью. В то же время в ряде случаев, в частности, в транзисторных ГВВ, как уже отмечалось, приходится специально применять неполное включение контура, хотя это и снижает его КПД.

Выбор КПД контура в ГВВ

Если АЭ ГВВ развивает колебательную мощность , то величина мощности в полезной нагрузке генератора зависит от КПД ЦС:

.

В случае ЦС – параллельного колебательного контура, учитывая (10.21),

где колебательная мощность, развиваемая АЭ генератора,

- амплитуда первой гармоники выходного тока АЭ ГВВ; - амплитуда колебательного напряжения, создаваемого на выходе АЭ, равная амплитуде напряжения на входе контура с нагрузкой.

Таким образом,

. (10.22)

Как показано в лекции 8, в недонапряжённом режиме работы генератора вплоть до критического развиваемая АЭ мощность растёт практически линейно с увеличением эквивалентного сопротивления контура, так как при этом

В перенапряжённом режиме работы генератора колебательная мощность, развиваемая АЭ, падает с ростом эквивалентного сопротивления контура, так как амплитуда первой гармоники выходного тока АЭ при этом существенно уменьшается.

Следовательно, можно считать, что (10.22) в недонапряжённом вплоть до критического режима работы генератора определяет в явном виде зависимость мощности в полезной нагрузке генератора от нагруженного эквивалентного сопротивления контура. В перенапряжённом режиме работы генератора зависимость , даваемая (10.22), неявная, так как в этом режиме существенно зависит от эквивалентного сопротивления контура.

Используя (10.22), можно найти оптимальное значение нагруженного эквивалентного сопротивления контура , при котором в нагрузке будет максимальная мощность при работе генератора в недонапряжённом вплоть до критического режиме работы генератора. Оптимальному значению соответствует оптимальный КПД контура .

Наличие у зависимости (10.22) экстремума типа максимума в недонапряжённом вплоть до критического режима работы генератора объясняется тем, что в этом режиме с ростом растёт колебательная мощность , но падает КПД контура , а мощность в полезной нагрузке генератора определяется произведением . При работе генератора в перенапряжённом режиме с ростом падает мощность генератора и падает КПД контура , следовательно, падает и мощность в нагрузке = , и для этого режима оптимального значения , равно как и оптимального КПД контура, не существует.

Для определения в недонапряжённом вплоть до критического режиме работы генератора воспользуемся условием

Используя (10.22), получаем

.

Приравнивая нулю правую часть последнего выражения, находим

,

чему соответствует

Учитывая, что критический режим работы генератора, когда АЭ развивает максимальную мощность, является оптимальным,⁴ условие оптимального КПД контура следует трактовать следующим образом. Если ненагруженное эквивалентное сопротивление контура удовлетворяет условию

, (10.23)

где - значение сопротивления нагрузки АЭ ГВВ, при котором обеспечивается критический режим работы генератора, равное

то оптимальным значением КПД контура будет

Если же ненагруженное сопротивление контура

, (10.24)

то оптимальный КПД контура, при котором в нагрузке генератора обеспечивается максимум мощности, соответствует и равен

(10.25)

На рис.10.7 показаны зависимости КПД контура и мощности в полезной нагрузке генератора при разных значениях ненагруженного эквивалентного сопротивления контура относительно . Для общности и большей наглядности зависимости мощности в нагрузке пронормированы относительно мощности , развиваемой АЭ ГВВ в критическом режиме. При построении зависимостей мощности в полезной нагрузке генератора использована обобщённая нагрузочная характеристика ГВВ , представленная на рис.8.4.⁵

Приведенные зависимости наглядно показывают, что пока выполняется условие (10.23): , максимальная мощность в полезной нагрузке генератора обеспечивается при работе его в недонапряжённом режиме при КПД контура, равном 0,5. Если принять большее значение КПД контура, то режим работы генератора будет более недонапряжённым и колебательная мощность, развиваемая АЭ, будет меньше, что приводит к меньшему значению мощности в полезной нагрузке, несмотря на большее значение КПД контура. Если принять режим работы генератора более напряжённым, чем при , то колебательная мощность, развиваемая АЭ, будет больше, однако мощность в полезной нагрузке будет меньше из-за меньшего значения КПД контура. Если выполняется условие (10.24): , то максимальная мощность в полезной нагрузке генератора обеспечивается при значении КПД контура, определяемом (10.25). При этом генератор будет находиться в критическом режиме работы, когда АЭ развивает максимальную мощность в контуре. Если значение КПД контура больше, чем даваемое (10.25), то генератор переходит в недонапряжённый режим работы и развиваемая АЭ колебательная мощность уменьшается, что приводит к уменьшению мощности в полезной нагрузке, несмотря на рост КПД контура. Если перевести генератор в перенапряжённый режим работы, то уменьшаются колебательная мощность, развиваемая АЭ, и КПД контура, что приводит к резкому уменьшению мощности в полезной нагрузке генератора.

На рис.10.7,б стрелками показано перемещение максимума мощности в полезной нагрузке генератора с возрастанием ненагруженного сопротивления контура : при , максимум мощности приходится на недонапряжённый режим работы генератора и смещается к критическому режиму работы генератора. При максимум приходится на критический режим работы генератора. Вплоть до этого момента оптимальный КПД контура равен 0,5. При максимум остаётся в критическом режиме, а величина мощности возрастает с ростом . При этом КПД контура не остаётся постоянным, величина его больше 0,5. В пределе при КПД контура и практически вся колебательная мощность, развиваемая АЭ, поступает в полезную нагрузку генератора. При этом абсолютный максимум её достигается в критическом режиме работы генератора (в этом случае зависимость повторяет зависимость ).

Приведенные сведения об оптимальном КПД контура позволяют уточнить понятие оптимального режима работы ГВВ.⁶ Если рассматривать оптимальный режим работы генератора с позиции максимума мощности в полезной нагрузке, а именно это является в подавляющем большинстве случаев определяющим, то оптимальным будет недонапряжённый режим работы генератора с КПД контура 0,5, если не удаётся реализовать контур с . Если же проблем с реализацией контура с ненагруженным сопротивлением, существенно превышающим значение , нет, то оптимальным режимом работы генератора будет критический режим. При этом высоким будет и КПД анодной (коллекторной) цепи генератора, который, напомним,⁷ определяется отношением

,

где - потребляемая мощность от источника анодного (коллекторного) питания.

КПД анодной (коллекторной) цепи характеризует эффективность преобразования энергии источника питания анода (коллектора) у генератора и зависит от напряжённости режима работы генератора и нижнего угла отсечки выходного тока АЭ.

Если рассмотреть отношение , то оказывается

,

где - результирующий КПД генератора, определяющий как эффективность выбранного режима работы генератора, так и эффективность принятой ЦС (контура).

Согласование АЭ с нагрузкой в диапазоне частот.

Перестройка колебательного контура генератора

Довольно часто ГВВ должен работать в некотором диапазоне частот , где - соответственно, минимальная (нижняя) и максимальная (верхняя) частоты рабочего диапазона.

Отношение

носит название коэффициента перекрытия диапазона генератора.

Чтобы обеспечить активную нагрузку для АЭ ГВВ во всём диапазоне рабочих частот, необходимо осуществлять перестройку контура с изменением рабочей частоты. Изменяя при этом коэффициент включения контура с изменением рабочей частоты, можно обеспечить постоянство нагрузки АЭ, то есть согласование АЭ с полезной нагрузкой генератора, во всём диапазоне рабочих частот.

Возможны следующие способы перестройки контуров:

• ёмкостная перестройка (контур с переменной ёмкостью);

• индуктивная перестройка (контур с переменной индуктивностью);

• одновременная ёмкостная и индуктивная перестройка (контур с одновременным изменением ёмкости и индуктивности).

Изменение ёмкости и индуктивности контура возможно механическим или электрическим способом.

К механическим способам относятся перестройка контура конденсатором переменной ёмкости, перестройка контура катушкой индуктивности с переменным числом рабочих витков (обычно катушка со скользящим контактом), перестройка катушкой индуктивности из двух последовательно включенных частей с изменением величины взаимоиндукции путём взаимного перемещения частей катушки (вариометр), перестройка катушкой с перемещающимся сердечником (латунным или магнитным).

В ГВВ наиболее часто используются перестройки конденсатором переменной ёмкости, катушкой со скользящим контактом и вариометром.

К электрическим способам перестройки относятся: перестройка контура изменением индуктивности катушки с ферритовым сердечником, на который наматывается дополнительная катушка подмагничивания сердечника; перестройка с использованием варикапа – полупроводникового диода с изменяющейся от приложенного обратного напряжения ёмкостью перехода.

Электрические способы перестройки используются в относительно маломощных ГВВ: до 1 кВт при использовании катушек с ферритовым сердечником и до единиц-десятков ватт при использовании варикапов.