Лекция 24 (лекции по УГФС), страница 4

Иногда бывает задан АЭ для модулируемой ступени. В этом случае, очевидно, номинальная колебательная мощность заданной лампы или транзистора может рассматриваться как мощность, достижимая в максимальном режиме. Может встретиться и другой способ задания: задан АЭ и задана мощность возбуждения последующего каскада. Очевидно, в этом случае максимальная мощность возбуждения последующего каскада должна рассматриваться как мощность максимального режима модулируемого генератора. При этом во всех случаях необходимо учитывать потери мощности в цепи согласования при передаче её от одного каскада к другому.

Так как линейная часть модуляционной характеристики находится в области недонапряжённого режима, то в качестве расчётного режима для максимальной мощности принимается критический режим.

Расчёт режима максимальной мощности ведётся по методике расчёта ГВВ в критическом режиме на мощность P_~МАКС (см. лекцию 7). При этом (здесь и далее приведём соотношения в терминах лампового генератора) коэффициент использования напряжения анодного питания

.

Напряжение питания анода (коллектора) принимается равным номинальному, либо ниже, если номинальная мощность лампы существенно больше требуемой (**). Для транзисторов последнее, очевидно, не является актуальным.

Нижний угол отсечки анодного (коллекторного) тока в режиме максимальной мощности θ_МАКС выбирается в пределах θ_МАКС ≤ 120°, то есть вблизи верхней границы линейного участка СМХ. Чтобы использовать весь линейный участок модуляционной характеристики, следует принимать θ_МАКС = 120°. Однако, чем больше угол отсечки, тем хуже КПД анодной (коллекторной) цепи генератора. Кроме того, в ламповых генераторах при θ_МАКС = 120° смещение в верхней точке модуляционной характеристики может оказаться положительным, что осложняет работу некоторых схем модуляторов.¹⁷ Поэтому на практике часто принимают θ_МАКС = (90…100)°. Принимать меньшие значения θ_МАКС нецелесообразно, так как при этом сокращается рабочий участок линейной части СМХ.

Если работать только на линейном участке СМХ в пределах 60° ≤ θ ≤ 120°, то, очевидно, получить 100% модуляцию невозможно. Для получения 100% модуляции (m = 1) необходимо использовать весь нижний участок модуляционной характеристики при
θ < 60°. При этом возникают, хотя и небольшие, нелинейные искажения, уменьшить которые можно применением отрицательной обратной связи.

После определения дальнейший расчёт режима максимальной мощности ведётся в обычном порядке (см. лекцию 7):¹⁸ определяют U_{МА МАКС}, I_{А1 МАКС}, I_{МА МАКС} и т.д. При использовании лампы с ограниченным током эмиссии необходимо проверить условие

;

в случае использования лампы с оксидным катодом, для которой ограничивающей является величина I_{А0 ДОП}, необходимо, чтобы выполнялось условие

.

Последнее условие соответствует случаю 100% модуляции (m = 1) и учитывает эффективное значение «постоянной» составляющей анодного тока при модуляции (рис.24.10):

.

При m = 1

У транзистора необходимо, чтобы выполнялось условие

Напряжение возбуждения при модуляции смещением остаётся неизменным и определяется при расчёте режима максимальной мощности:

.

Напряжение смещения Е_{С МАКС}, необходимое для построения СМХ I_А1(Е_С) и расчёта режима сеточной цепи определяется выражением:

.

После расчёта режима максимальной мощности рассчитывается режим несущей частоты.

Режим несущей частоты обычно рассчитывается, исходя из линейной зависимости I_A1 и I_A0 от смещения Е_С, то есть исходя из идеализированных СМХ, согласно которым:

(24.14)

При этом получается

КПД анодной цепи в режиме несущей частоты

При m = 1

Обычно максимальный КПД анодной цепи, соответствующий критическому режиму, примерно равен 0,7. Следовательно, в режиме несущей частоты Как видим, в энергетическом отношении режим несущей частоты является чрезвычайно неэффективным.

Мощность, рассеиваемая на аноде лампы (коллекторе транзистора) в режиме несущей частоты,

или

Следует отметить, что с точки зрения теплового режима анода (коллектора) режим несущей частоты является наиболее тяжёлым и поэтому должно быть выполнено условие

P_{A Н} < P_{A ДОП}.

Действительно, в режиме максимальной мощности при 100% модуляции рассеиваемая на аноде (аналогично на коллекторе) мощность

При 100% модуляции получаем

Как видим, рассеиваемая на аноде (коллекторе) мощность в максимальном режиме не превышает рассеиваемую мощность в режиме несущей частоты. Если учесть, что максимальный режим кратковременный, а режим несущей частоты более длительный (например, при передаче речи паузы между словами, предложениями, фразами), то он и оказывается более тяжёлым с точки зрения теплового режима лампы или транзистора.

Если принять модуляцию симметричной и линейной, при этом «постоянная» составляющая анодного (коллекторного) тока¹⁹ изменяется по закону (см. рис.24.10)

то средняя потребляемая от источника анодного (коллекторного) питания за период модуляции мощность

.

Соответственно, средняя рассеиваемая за период модуляции мощность, учитывая (24.9),

то есть средняя мощность, рассеиваемая на аноде (коллекторе) за период модуляции, уменьшается по сравнению с режимом несущей частоты (режим молчания) на величину мощности боковых частот (полос).

Средний за период модуляции КПД анодной (коллекторной) цепи

Так как среднестатистическое значение m = 0,3…0,5, то средний КПД анодной (коллекторной) цепи, характеризующий энергетическую эффективность модулируемой ступени, невелик и равен

Последнее соотношение показывает, что энергетическая эффективность модулируемой ступени практически определяется эффективностью режима несущей частоты. Среднее значение КПД получается примерно таким, как и в режиме несущей частоты (молчания).

Необходимое напряжение смещения в режиме несущей частоты (в режиме молчания) может быть найдено следующим образом. Из (24.14) известны значения I_{A1 Н} и U_{MA Н}. С другой стороны,

откуда

По значению определяется (по таблицам) значение нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока θ_Н в режиме несущей частоты (молчания) и значение cos θ_Н . Тогда

Напряжение смещения Е_{С Н} определяет рабочую точку модулируемого генератора в режиме молчания у микрофона (режим несущей частоты) и должно подаваться от внешнего источника, так как при автоматическом смещении рабочая точка будет перемещаться за счёт изменения постоянных составляющих токов сетки (базы) и анода (коллектора), что приведёт к нелинейным искажениям.

Зная напряжения смещения в максимальном режиме Е_{С МАКС} и в режиме несущей частоты Е_{С Н}, можно определить необходимую амплитуду модулирующего сигнала U_Ω, которая равна интервалу (размаху) между этими напряжениями. Определение амплитуды модулирующего сигнала поясняется рис.24.11.

При расчёте транзисторного генератора необходимо проверить условие

,

в котором напряжение смещения в режиме несущей частоты должно учитываться со своим знаком.

В заключение скажем несколько слов о настройке генератора с модуляцией смещением.

Вначале производится настройка генератора в режиме максимальной мощности без подачи модулирующего сигнала. Устанавливаются найденные при расчёте напряжения: смещения Е_{С МАКС}, возбуждения U_МС, анодного питания Е_А. Настройкой контура (цепи согласования) и регулировкой связи с полезной нагрузкой выставляется ток (постоянный анодный или переменный контурный) и выходное колебательное напряжение близкими к расчётным значениям максимального режима. После этого снимается СМХ.²⁰ Обычно это I_КОНТ (Е_С) или I_А0(Е_С). Удовлетворительное совпадение снятой СМХ с ожидаемой (расчётной) свидетельствует о правильности настройки генератора на режим максимальной мощности. По снятой СМХ устанавливается режим несущей частоты (молчания), соответствующий точке СМХ

или

.

Более полное представление о качестве модуляции может быть получено путём снятия ряда динамических модуляционных характеристик. Простейшим средством контроля качества модуляции является визуальное наблюдение с помощью осциллографа формы модулированного колебания при модуляции гармоническим колебанием низкой частоты.

Что касается объективной и качественной оценки качества модуляции, то она производится с помощью соответствующих измерительных приборов, определяющих, в частности, коэффициент модуляции и коэффициент нелинейных искажений (гармоник) огибающей полученного АМ колебания.

В силу низкой энергетической эффективности модуляция смещением в настоящее время имеет весьма ограниченное применение в радиопередатчиках. Такой способ модуляции используется в некоторых телевизионных передатчиках сигналов изображения, имеющих широкую полосу частот (до 6 МГц). Поскольку требуемая мощность модулятора при модуляции смещением оказывается небольшой (мощность модулятора определяется током сетки или базы и размахом смещения), то широкополосный модулятор (своего рода УНЧ) легче выполнить маломощным и этим обеспечить необходимые качественные показатели модуляции. Очевидно, если использовать лампы, то предпочтительнее тетроды и пентоды (у них меньше токи управляющих сеток). В мощных телевизионных передатчиках приходится использовать и триоды, мирясь с низким КПД генератора с модуляцией смещением.

Мы уделили внимание модуляции смещением в основном по той причине, что полученные при этом знания необходимы и весьма полезны для понимания вопросов усиления АМ колебаний. Режимы усиления АМ колебания, как увидим, имеют тесное родство с модуляцией смещением и сегодня широко применяются, например, в мощных каскадах телевизионных передатчиков сигналов изображения и в связных коротковолновых передатчиках для усиления однополосных колебаний. Кроме того, сегодня широко применяются комбинированные способы АМ, одним из элементов которых является, в том числе, и модуляция смещением. Поэтому без определённого чёткого представления о сути модуляции смещением сложнее понять другие виды модуляции и их особенности.