Лекция 27

Амплитудная модуляция в генераторах на многоэлектродных лампах: анодно-экранная и пентодная модуляции. Принцип, схемы, модуляционные характеристики, энергетические и качественные показатели, основы инженерного расчёта. Схемы модуляторов. Амплитудное телеграфирование.

Использование многоэлектродных генераторных ламп: тетродов и пентодов¹ позволяет строить генераторы с большим коэффициентом усиления по мощности К_Р, чем при использовании триодов (у генераторов на мощных современных тетродах достижимы значения К_Р до 40 – 50 и выше, тогда как у генераторов на мощных триодах до 10 – 15). Кроме того, применение тетродов и пентодов обеспечивает устойчивую работу генератора по схеме с общим катодом до более высоких частот (см. лекцию 14). Больший коэффициент усиления по мощности и большая устойчивость генераторов – усилителей мощности на тетродах и пентодах упрощают построение радиопередатчика и сокращают число его каскадов. Тетроды и пентоды удобны для осуществления сеточной модуляции. При этом ток управляющей сетки может отсутствовать, соответственно модулятор оказывается простым и представляет собою усилитель напряжения, то есть от модулятора не требуется мощность. Но сеточная модуляция обладает низкой энергетической эффективностью.

Использование анодной модуляции позволяет построить генератор амплитудно-модулированных колебаний с высокой энергетической эффективностью. Однако, если анодную модуляцию осуществлять в генераторе на тетроде или пентоде, то оказывается очень тяжёлым режим второй (экранной) сетки из-за значительного увеличения её тока, который она не выдерживает. В дополнение к этому, при уменьшении напряжения на аноде при анодной модуляции при неизменном напряжении на второй сетке у большинства тетродов проявляется динатронный эффект, когда ток второй сетки дополнительно возрастает за счёт электронов, вылетевших с разогретого анода, что делает режим работы второй сетки ещё более тяжёлым.

Поэтому, чтобы использовать преимущества тетродов и пентодов в отношении получения больших значений К_Р и большей устойчивости и преимущества анодной модуляции в отношении более высокой энергетической эффективности (больше КПД анодной цепи η_А) и при этом не иметь недопустимо тяжёлого режима по второй сетке, в генераторах на тетродах и пентодах применяют комбинированную анодно-экранную амплитудную модуляцию.

Анодно – экранная модуляция

При анодно-экранной модуляции модулирующий сигнал в форме напряжения заводится одновременно в цепи питания анода и второй (экранной) сетки. Соответственно напряжения питания анода и второй сетки изменяются по законам:

(27.1)

где Е_АН, Е_С2Н – напряжения питания анода и второй сетки в режиме молчания;
U_AΩ, U_С2Ω – амплитуды модулирующих напряжений на аноде и второй сетке соответственно; m, m_C2 – коэффициенты модуляции напряжения анода и второй сетки.

Обычно выбирают

Е_АН ≈ (0,8…0,9)Е_{А НОМ} ;

Е_С2Н ≈ (0,7…0,8)Е_{С2 НОМ}.

Синфазное изменение напряжений питания анода Е_А и второй сетки Е_С2 при анодно-экранной модуляции способствует выравниванию напряжённости режима второй сетки и спрямлению модуляционной характеристики.

СМХ при анодно-экранной модуляции является функцией анодного и экранного напряжений, то есть I_A1 = f(E_A, E_C2). Аналогично I_A0 = f(E_A, E_C2). Снимается СМХ при одновременном изменении обоих напряжений по одному и тому же закону в соответствующей пропорции.

Для лучшего понимания сути анодно-экранной модуляции обратимся к семейству статических ВАХ анодного тока, представленных на рис.27.1,а и снятых при разных значениях напряжений на второй сетке и одинаковых напряжениях на первой сетке.²

Как видно из представленных статических ВАХ, в основной области увеличение напряжения на второй сетке приводит к увеличению анодного тока. Следовательно, в этой области возможно осуществление амплитудной модуляции изменением напряжения на второй сетке: изменения выходного (анодного) тока следуют за изменениями напряжения на второй (экранной) сетке. Такая модуляция носит название экранной модуляции. Однако экранная модуляция, отвлекаясь от её качественных показателей, энергетически будет невыгодной, так как имеет место в недонапряжённом режиме. Только для максимального режима можно допустить критический режим (см. ДХ, представленные сплошными линиями на рис.27.1,а). Соответственно, по энергетическим показателям экранная модуляция подобна модуляции смещением, но, в отличие от последней, для экранной модуляции потребуется более мощный модулятор, так как ток второй сетки существенно больше тока управляющей сетки, да и напряжение для модуляции на вторую сетку требуется существенно больше. Следовательно, экранная модуляция в недонапряжённом режиме не представляет практического интереса. В этом режиме модуляция смещением в генераторах на тетродах и пентодах имеет неоспоримые преимущества перед экранной модуляцией.³ Если лампа будет находиться в перенапряжённом режиме, то изменение экранного напряжения препятствует изменению анодного тока в соответствии с изменением этого напряжения и не позволяет получить линейную модуляцию. К такому заключению нетрудно подойти, если, например, принять, что при Е_{С2 3} реализуется критический режим при нижнем угле отсечки анодного тока θ = 90° (см. ДХ, представленные штриховыми линиями на рис.27.1,а). При увеличении напряжения на второй сетке нижний угол отсечки анодного тока возрастает, что должно приводить к увеличению первой гармоники анодного тока. Однако при этом напряжении режим становится перенапряжённым и в импульсах анодного тока появляется провал, что обусловливает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока. То есть оба изменяющихся фактора: нижний угол отсечки и напряжённость режима влияют на первую гармонику анодного тока в противоположных направлениях, что никак не способствует получению глубокой линейной амплитудной модуляции за счёт экранного напряжения в перенапряжённом режиме. Из рассмотрения рис.27.1,а нетрудно заключить, что если одновременно с изменением экранного напряжения в перенапряжённом режиме изменить в том же направлении анодное напряжение, то напряжённость режима уменьшится (штриховые ДХ рис.27.1,а как бы потянули за нижние концы вправо). А это приведёт к увеличению первой гармоники анодного тока, так как теперь изменение нижнего угла отсечки анодного тока в сторону увеличения и уменьшение напряжённости режима, приводящее к увеличению амплитуды импульсов анодного тока и исчезновению или уменьшению провала в них, обусловливают эффективное изменение первой гармоники анодного тока, что, в свою очередь, позволяет осуществить эффективную АМ путём одновременного изменения напряжений на аноде и второй сетке согласно (27.1). При этом режим лампы может оставаться практически неизменным: либо критическим, либо слегка перенапряжённым. Изменение анодного тока при этом происходит за счёт изменения экранного напряжения, приводящего к изменению амплитуды импульсов анодного тока и угла нижней отсечки: например, с увеличением экранного напряжения возрастают амплитуда импульсов анодного тока и угол нижней отсечки, что приводит к увеличению первой гармоники анодного тока. Изменение анодного напряжения при этом играет вспомогательную роль, сводящуюся к поддержанию практически постоянной напряжённости режима лампы и генератора.⁴ ДХ анодного тока при этом принимают вид, например, как показано на рис.27.1,б. В максимальном режиме обычно принимают значение нижнего угла отсечки анодного тока . При этом в телефонном режиме (режим молчания) нижний угол отсечки анодного тока оказывается равным 50…60⁰. Обратим внимание, что представленной на рис.27.1,б ДХ анодного тока при Е_А1 и Е_{С2 1} соответствует θ = 90⁰.

Для получения 100% модуляции, очевидно, напряжение на аноде должно уменьшаться до нуля. Соответственно коэффициент модуляции анодного напряжения m должен быть равен единице в (27.1). Экранное напряжение при этом вовсе не обязательно должно уменьшаться до нулевого значения. Для получения 100% АМ обычно оказывается достаточным иметь m_C2 = 0,9…1,0.

С МХ генератора с анодно-экранной модуляцией представлены на рис.27.2.

В режиме несущей частоты (режим молчания)

Е_АН = Е_{А МАКС} /2 ; Е_С2Н = (Е_С2МАКС – Е_С2МИН)/2.

Амплитуда модулирующего сигнала

U_AΩ = mЕ_АН ; U_C2Ω = m_C2Е_С2Н.

При линейности модуляции, очевидно, справедливо считать

,

где коэффициент модуляции анодного тока m равен коэффициенту модуляции анодного напряжения (коэффициент модуляции экранного напряжения m_C2 может быть немного меньше, что отражено на рис.27.2, где m = 1, m_C2 < 1).

Если можно пренебречь проницаемостью лампы (D = 0) и принять, что при модуляции сохраняется критический режим, то амплитуда первой гармоники анодного тока

.

Если D = 0, то для нижнего угла отсечки анодного тока справедливо выражение (см. лекцию 4, ф-ла (4.15а))

,

где – напряжение приведения по второй сетке;⁵ D_C2 – проницаемость лампы по второй сетке (D_C2 = Δe_C /Δe_C2 при i_A = const).

Очевидно, ΔЕ ^/_С = D_С2ΔЕ_С2. Напомним, что в системе координат i_A, e_C при увеличении напряжения второй сетки статические ВАХ анодного тока смещаются влево, то есть в область более отрицательных значений напряжения отсечки Е ^/_С (см. лекцию 4). Следовательно, увеличение экранного напряжения приводит к пропорциональному увеличению напряжения отсечки. Зная зависимость Е ^/_С = f (E_C2), можно рассчитать изменение нижнего угла отсечки анодного тока θ = f (E_C2) и соответственно изменение амплитуды первой гармоники анодного тока.

Если обратиться к СМХ генератора с анодно-экранной модуляцией, то на ней можно выделить два участка (рис.27.2). Верхний участок 1 соответствует недонапряжённому режиму лампы по первой (управляющей) сетке, нижний участок 2 соответствует перенапряжённому (в любом случае более напряжённому) режиму по первой сетке (при малых значениях Е_С2 ток управляющей сетки возрастает). Для облегчения режима управляющей сетки и спрямления СМХ в нижней части в генераторах с анодно-экранной модуляцией применяют сеточное автосмещение, либо комбинированное смещение: часть за счёт сеточного автосмещения, часть от независимого источника смещения. С подобной реализацией смещения мы встречались в генераторах с анодной модуляцией на триодах, в которых применение сеточного автосмещения обусловливало двойную модуляцию. Аналогично обстоит дело и в генераторах с анодно-экранной модуляцией.