Лекция 26 (лекции по УГФС), страница 2

При условии линейности коллекторной модуляции для неё справедливы соотношения (26.3) – (26.5).

Если принять, что при анодной (коллекторной) АМ постоянная составляющая анодного (коллекторного) тока линейно зависит от напряжения на аноде (коллекторе), то есть

,

где k₀ – коэффициент, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой линии относительно оси Е_А,

то, учитывая линейную зависимость амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока от этих напряжений (см. (*))

и постоянство коэффициента использования напряжения питания анода (коллектора) (26.5) при модуляции, получаем для КПД анодной (коллекторной) цепи

Так как генераторная лампа или транзистор при анодной (коллекторной) модуляции находится в перенапряжённом режиме, для которого характерен высокий КПД по аноду (коллектору), то из последнего соотношения следует, что КПД анодной (коллекторной) цепи остаётся таким же высоким и в режиме несущей частоты. Очевидно, средний за период модулирующего сигнала КПД анодной (коллекторной) цепи будет таким же. В последнем можно также убедиться, рассматривая следующие соотношения.

Средняя потребляемая по анодной (коллекторной) цепи мощность генератора с анодной (коллекторной) модуляцией

Так как ,

то

.

Таким образом, при анодной (коллекторной) модуляции средний КПД анодной (коллекторной) цепи, характеризующий энергетическую эффективность модулируемого генератора, выше раза в два, чем у генератора с модуляцией смещением (сеточной, базовой).

В радиопередатчиках анодную (коллекторную) модуляцию осуществляют в выходном каскаде, который потребляет (60…70)% всей подводимой к передатчику мощности и этим предопределяет его промышленный КПД. Если анодную (коллекторную) модуляцию осуществить в промежуточном каскаде радиопередатчика, то выходной каскад его будет работать в режиме усиления АМ колебаний и в этом случае энергетические преимущества анодной (коллекторной) модуляции в передатчике в целом не реализуются.

Все приведенные выше результаты получены и, соответственно справедливы, в предположении линейности СМХ. Однако при неизменном смещении в модуляционной характеристике I_А1(Е_А) вблизи значений Е_А ≈ 0 появляется криволинейный участок (рис.26.2,а), обусловленный более резким перераспределением катодного тока между анодом и сеткой лампы на начальном участке СМХ. При Е_А = 0 анодный ток также равен нулю, а ток управляющей сетки имеет максимальное значение и равен катодному току. На начальном участке СМХ коэффициент использования напряжения анодного питания получается несколько больше, чем в точках максимального режима и режима несущей частоты. Наличие криволинейного участка СМХ приводит к увеличению нелинейных искажений при глубокой модуляции (при m → 1). Чтобы избежать этого, искусственно ослабляют напряжённость режима за счёт автоматического смещения в цепи управляющей сетки. При этом имеет место дополнительная модуляция в цепи управляющей сетки за счёт изменения напряжения смещения. Можно подобрать такую величину сопротивления автосмещения R_C в цепи сетки, при котором СМХ I_А1(Е_А) будет настолько близка к прямой линии, что для её построения достаточно воспользоваться двумя точками: I_А1 = I_А1МАКС и I_А1 = 0. СМХ постоянной составляющей анодного тока I_А0(Е_А) также спрямляется. Кроме того, автоматическое смещение уменьшает сеточный ток (рис.26.4).

В транзисторном генераторе с коллекторной АМ СМХ I_К1(Е_К) выходит не из начала координат, а несколько правее, из точки, в которой Е_К ≈ U_МБ (рис.26.2,б). При Е_К < U_МБ переход коллектор – база открывается и появляется коллекторный ток обратного направления, что обусловливает большие нелинейные искажения с увеличением глубины модуляции и ухудшает энергетические показатели генератора (это обстоятельство отмечалось нами в лекциях 3 и 4). Для исключения этого недостатка вместе с уменьшением напряжения Е_К уменьшается напряжение U_МБ, что достигается их одновременной модуляцией, о чём мы поговорим несколько ниже. С этой же целью иногда применяется базовое автосмещение.

Применение сеточного автосмещения в ламповом генераторе с анодной модуляцией и модуляция напряжения возбуждения в транзисторном генераторе с коллекторной модуляцией позволяют обеспечить практически неискажённую 100% модуляцию на выходе генератора.

Остановимся на расчёте энергетических показателей генераторов с анодной и коллекторной модуляцией, отмечая в соответствующих местах особенности этих генераторов.

Расчёт генератора с анодной (коллекторной) модуляцией проводится в следующем порядке.

В начале рассчитывается режим максимальной мощности. При этом лампа выбирается на мощность (26.8)

,

а транзистор на мощность (26.10)

.

Если P_~Н – мощность в режиме несущей частоты в полезной нагрузке, то лампа (транзистор) выбирается по мощности с учётом КПД контура (цепи согласования).

Режим максимальной мощности выбирается критическим или слабо перенапряжённым, когда

.

Выбор слабо перенапряжённого режима способствует линеаризации СМХ I_А1(Е_А) и I_К1(Е_К) в их верхней части.

Коэффициент использования напряжения анодного (коллекторного) питания в критическом режиме работы АЭ

.

Нижний угол отсечки анодного тока в максимальном режиме выбирается около 90⁰. Аналогично выбирается нижний угол отсечки коллекторного тока (если смещение равно нулю, то угол отсечки коллекторного тока несколько меньше 90⁰).

Приняв в максимальном режиме или в пределах , находим амплитуду выходного колебательного напряжения в максимальном режиме

и амплитуду первой гармоники анодного (коллекторного) тока

.

Дальнейший расчёт ведётся по формулам в зависимости от выбора критического или перенапряжённого режима.

В ламповом генераторе при расчёте режима максимальной мощности может оказаться, что рассеиваемая на аноде мощность

Р_{А МАКС} = Р_0МАКС – Р_~МАКС > Р_{А ДОП}.

Однако это обстоятельство не имеет существенного значения, так как режим максимальной мощности является кратковременным по сравнению с периодами молчания. Более того, как ниже увидим, режим молчания при анодной (коллекторной) модуляции с точки зрения рассеиваемой на аноде (коллекторе) мощности, в отличие от модуляции смещением, не является самым тяжёлым.

Режим несущей частоты (режим молчания) рассчитывается, исходя из линейности модуляционной характеристики, то есть

.

Мощности потребления и рассеяния на аноде (коллекторе) соответственно равны:

.

Так как при анодной (коллекторной) модуляции

,

то

.

Согласно последнему соотношению при одной и той же мощности в режиме несущей частоты (режим молчания) при анодной (коллекторной) модуляции мощность рассеяния на аноде лампы (коллекторе транзистора) в 5…6 раз меньше, чем при модуляции смещением (сеточной и базовой модуляциях).³ Однако режим несущей частоты с точки зрения теплового режима анода или переходов транзистора не является самым опасным. Более тяжёлым является средний за период модулирующего сигнала режим, когда

.

Для лампы должно выполняться условие

P_{А СР} ≤ P_{А ДОП}.

Учитывая приведенные выше соотношения, можно считать, что должно быть

.

При m = 1

.

Последнее соотношение необходимо также учитывать при выборе лампы для генератора с анодной модуляцией, то есть лампа должна подходить по номинальной колебательной мощности и иметь допустимую мощность рассеяния на аноде не меньше возможной при заданной мощности генератора.

В транзисторном генераторе необходимо проверить температуру перехода, исходя из мощности P_{К СР} и мощности, рассеиваемой на базе в режиме несущей частоты P_{Б Н}.

В ламповом генераторе при расчёте режима несущей частоты (молчания) необходимо проверить тепловой режим управляющей сетки. Это особенно важно для современных генераторных ламп, которые работают со значительными сеточными токами и для которых мощность рассеяния на управляющей сетке ограничена. Для расчёта мощности P_{С Н}, рассеиваемой на сетке в режиме несущей частоты, необходимо знать составляющие токов в режиме несущей частоты (молчания) I_С0Н и I_С1Н. При использовании сеточного автосмещения СМХ I_C0(Е_А) (рис.26.4), а также СМХ I_C1(Е_А) получаются линейными. Телефонная (рабочая) точка выбирается на середине СМХ, а именно при

.

Величина тока I_С0Н может быть определена на основании рис.26.4, согласно которому

. (26.11)

Амплитуда первой гармоники сеточного тока в режиме несущей частоты

,

где – соответственно угол отсечки сеточного тока и коэффициенты разложения косинусоидального импульса сеточного тока по первой гармонике и постоянной составляющей в режиме несущей частоты (молчания).

После того, как найдены токи в сеточной цепи, расчёт мощности рассеяния на управляющей сетке проводится согласно известного соотношения (см. лекции 2 и 7):

. (26.12)

Необходимо, чтобы выполнялось условие P_{С Н} ≤ P_{С ДОП}.

Как следует из (26.11), (26.12), расчёт сеточной цепи в режиме несущей частоты связан с расчётом режима минимальной мощности, в котором сеточный ток достигает максимального значения (рис.26.4). Напряжение возбуждения U_MC и сопротивление сеточного автосмещения R_C находятся при расчёте максимального режима. При этом

,

где .