Высокочестотный генератор с внешним возбуждением

Автор: Пользователь скрыл имя, 17 Декабря 2011 в 08:10, курсовая работа

Описание работы

Генератором с внешним возбуждением называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, равной или кратной частоте входного воздействия. В том случае, когда частота выходного сигнала равна частоте входного воздействия, генератор с внешним возбуждением называется усилителем мощности. Если же частота выходного сигнала в целое число раз больше частоты входного – речь идет об умножителе частоты.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3
Основные характеристики и параметры усилителей…………………..7
Теория и основные математические соотношения……………………..8
Электрическая и эквивалентная схема генераторов…………..……8
Динамические характеристики генератора………………………..12
Режим работы высокочастотного генератора…………………..……18
Ключевой режим работы высокочастотного генератора…………19
Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением……………………………………………………………22
Структурная схема генератора с внешним возбуждением……..……24
Схемы усилителей мощности……………………………………………26
Заключение………………………………………………………………………29
Список использованной литературы…………………………………………30

Работа содержит 1 файл

Курсовая генератор с внешним возбуждением.docx

— 992.62 Кб (Скачать)

  – активная мощность взаимодействия по k-й гармонике сигнала

  - мощность k-й гармоники, передаваемой генератором в активную нагрузку.

2.2. Динамические характеристики генератора

Свойства  электронного прибора во многом определяются семейством статистических вольтамперных  характеристик. Например, в случае биполярного  транзистора таковыми являются зависимости  коллекторного тока от постоянного  коллекторного напряжения и тока базы; в случае лампы – зависимость анодного тока от постоянных напряжений на аноде и управляющей сетке.

Картина значительно усложняется при  определении свойств ВЧ генератора в динамическом режиме, т.е. при усилении высокочастотного сигнала. В этом случае при фиксированной частоте и  мощности входного сигнала свойства ВЧ генератора определяют три вида характеристик:

  • Динамическая характеристика для мгновенных значений тока и напряжения на выходе электронного прибора;
  • Динамическая характеристика для первых гармоник выходного тока и напряжения электронного прибора;
  • Нагрузочная характеристика генератора, т.е. зависимость выходных электрических параметров (тока, напряжения, КПД, мощностей) от сопротивления нагрузки.

Рассмотрим сначала более подробно две первые характеристики.

Примеры зависимостей для мгновенного тока i(wt)  и напряжения  u(wt) на выходе электронного прибора в динамическом режиме. Из двух данных функций, исключив время, получим третью зависимости i=Ф(u), которая и является динамической характеристикой для мгновенных значений тока и напряжения. По расположению данной характеристикой для мгновенных значений тока и напряжения. По расположению данной характеристики на плоскости вольтамперных характеристик электронного прибора можно судить о режиме работы ВЧ генератора.

Четыре  примера таких характеристик  и соответствующие им формы коллекторного  тока для транзисторного генератора приведены на рис. 5.

Рисунок 5.

Разложив  в ряд Фурье функции i(wt) и u(wt), определим первые гармоники тока I1 и напряжения U1. Зависимость I1=Ψ(U1) называется динамической характеристикой по 1-й гармонике сигнала, пример которой приведен на рис. 6.

Рисунок 6.

С помощью  динамической характеристики определим  условия передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. Функция I1= Ψ(U1) является нелинейной, зависящей от частоты и мощности входного сигнала и напряжения питания. Зафиксируем данные параметры и запишем согласно для мощности, передаваемой генератором в нагрузку:

(4)

Найдем  частную производную функции  и приравняем ее 0 для определения  экстремума функции:

(5)

При = const получим:

  (6)

На графике  функции I1= Ψ(U1) условию передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку соответствует точка «А» , режиму короткого замыкания – точка «В», холостого хода – точка «С». Раскроем физическое содержание выражения. Под отношением

(7)

Следует понимать модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала  эквивалентного генератора. Ее равенство  проводимости нагрузки и есть условие  передачи максимальной мощности, которое  представим в виде:

  (7)

Где:

  - проводимости нагрузки, подключенной к выходу электронного прибора, на частоте 1-й гармоники сигнала.

Точку «А» на динамической характеристике можно найти графическим путем, как точку пересечения двух графиков согласно.

Данная  процедура может быть осуществлена по программе, приведенной на рис. 7. В 1-й столбец матрицы исходных данных DIN записываются значения 1-й гармоники напряжения U1. Затем производится аппроксимация функции, представленной в табличной форме, с использованием сплайн – интерполяции (операторы cspline и interp). График динамической характеристики I1= Ψ(U1) с учетом произведенной интерполяции приведен на том же рисунке. Далее определяется проводимость нагрузки, как отношение I1/U1, и модуль внутренней дифференциальной проводимости по 1-й гармонике сигнала эквивалентного генератора тока и строятся графики двух данных функций. На рисунке они обозначены как YH(U1) и YG (U1).

Рис. 8

Точка пересечения данных графиков соответствует условию передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку. С целью проверки данного условия строится график зависимости колебательной мощности P1(U1). Убеждаемся в том, что действительно точке пересечения графиков проводимости соответствует максимум колебательной мощности.

В заключении отмечу, что условие передачи максимальной мощности от генератора в нагрузку, есть записанное в более общей  форме то же условие при постоянных параметрах генератора: равенство внутреннего  сопротивления генератора Ri=RH – сопротивлению нагрузки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Режим работы высокочастотного генератора

Различают четыре основных режима работы ВЧ генератора:

  • Граничный (его называют критическим)
  • Недонапряженный
  • Перенапряженный
  • Ключевой

Граничному  режиму соответствует получение  максимальной мощности 1-й гармоники  сигнала, что наглядно прослеживается на соответствующем графике нагрузочной  характеристики. Условию реализации данного режима соответствует выполнение равенства.

Динамическая  характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме значительную область на плоскости статических вольтамперных характеристик электронного прибора, не заходя, однако, в область резкого спада тока. Сопротивление нагрузки R1/, соответствующее данному режиму, обозначим как R1гр, а коэффициент использования электронного прибора по напряжению ξ = U1/U0 как ξгр.

Недонапряженному режиму соответствует условие R1<R1гр или ξ< ξгр. Динамическая характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме меньшую область на плоскости статических вольтамперных характеристик электронного прибора, чем при граничном. Генератор в недонапряженном режиме недоиспользуются по мощности, КПД снижается, а мощность рассеивания существенно возрастает. Однако, его использование в некоторых случаях необходимо с целью улучшения линейности амплитудной характеристики.

Перенапряженному  режиму соответствует условие R1<R1гр или ξ< ξгр. Динамическая характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме значительную область на плоскости статистических вольтамперных характеристик электронного прибора, заходя в область резкого спада тока. Как правило, в этом режиме наблюдается провал в импульсе тока. Физическая природа такого провала у разных электронных приборов различна. Так в электровакуумных приборах провал в импульсе анодного тока вызван резким увеличением тока управляющей сетки, а в транзисторах-открытием коллекторного перехода при заходе в область насыщения. В перенапряженном режиме удается стабилизировать параметры ВЧ генератора – их относительную независимость от сопротивления нагрузки, что наглядно прослеживается при рассмотрении нагрузочных характеристик.

3.1. Ключевой режим работы высокочастотного генератора

В диапазонах волн от сверхдлинного вплоть до метрового  помимо трех названных выше режимов  работы ВЧ генератора применяется также  ключевой режим. Особенностью ключевого режима является выполнение следующего условия для тока и напряжения ключевого элемента:

    (8)

Где:

Т –  период колебаний

t1 – момент переключения

uH – малое остаточное напряжение на замкнутом ключе.

В качестве ключевого элемента используются транзисторы  и тиристоры (кремниевые управляемые  вентили). Динамическая характеристика i=Ф(u) занимает при данном режиме, обуславливает работу транзистора только в двух областях – насыщения (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Примеры диаграмм тока и напряжения в ключевом транзисторном генераторе на рисунках ниже.

Следствием  выполнения является малая мощность рассеиваемая в электронном ключе, поскольку согласно 8 имеем:

(9)

Рис. 9

При соответствующих  формах тока и напряжения в ключевом генераторе можно получить высокий КПД, достигающий 90-95% в диапазоне длинных волн. Одна из таких схем, называемая генератором инверторного типа. В схеме транзисторы – электронные ключи – включаются попеременно, замыкая электрическую цепь то на источник Ek, то на землю.

Рис. 10

Таким образом, малая мощность рассеивания  в электронном приборе и высокий  КПД – два значительных преимущества, реализуемые при ключевом режиме работы, особенно ощутимые при повышенной мощности ВЧ генератора. Реализация ключевого  режима работы возможна при времени  переключения tпер << T, что ограничивает его использование с повышением частоты сигнала. При нарушении условия значительно возрастает мгновенная мощность p(t)=i(t) и (t) в момент переключения, что неблагоприятно сказывается на ключевом элементе.

Ключевые  генераторы гармонических колебаний  находят широкое применение в  радиопередатчиках диапазона длинных  и сверхдлинных волн мощностью до нескольких десятков кВт. 

    4 Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением

     В цепях каскада ГВВ одновременно могут действовать напряжения и  протекать токи с существенно различными частотами:

    • рабочая (несущая радиочастота) и ее гармоника
    • постоянный ток, напряжение
    • модулирующая (звуковая) частота
    • напряжение и ток промышленной частоты

         Схема каскада строится таким образом, чтобы:

    • существовали источники напряжений и токов нужных частот;
    • необходимые напряжения были приложены к электродам активных приборов;
    • существовали замкнутые цепи для всех токов т источника к «потребителю» и обратно к источнику;
    • на нужных элементах ГВВ возникали падения от нужных составляющих токов.

     Цепи  с токами и напряжениями не должны мешать друг другу:  не создавать  короткие замыкания или разрывы  в цепях друг друга.

     Электронные лампы имеют заметную емкость  между управляющей сеткой и анодом, которая называется проходной. За счет проходной емкости происходит прямое прохождение энергии из входной  цепи в выходную и обратная реакция выходной цепи на входную. Проходная емкость влияет на работу ГВВ даже когда лампа заперта большим отрицательным напряжением смещения, снято анодное напряжение или выключен накал лампы. Наличие обратной связи входной и выходной цепи ГВВ через проходную емкость может привести к самовозбуждению ГВВ. Для ослабления влияния проходной емкости в ламповых ГВВ с экранирующей сеткой (тетроды и пентоды), а также построение ГВВ по схеме с общей сеткой.

     Несмотря  на то, что проходная емкость тетродов в несколько десятков раз меньше емкости таких же по мощности триодов, последние находят преимущественное применение в диапазоне частот до 30 МГц в каскадах мощностью до 500-1000 кВт. Это связано с тем, что  для таких мощностей  сложно изготовить тетрод из-за трудностей охлаждения экранирующей сетки.

     На  высоких частотах (до  1000 МГц и  выше) трудно обеспечить малое индуктивное  сопротивление вывода экранирующей сетки в тетродах, поэтому и  в этом случае преимущественное применение находят триоды.

     Вынужденное применение триодов при больших  мощностях или высоких частотах заставляет отказаться от включения  ламп по схеме с общим катодом, обладающей наибольшим коэффициентом  усиления по мощности и приводит к  необходимости включения ламп по схеме с общей сеткой для ослабления проходной емкости Скс .

Информация о работе Высокочестотный генератор с внешним возбуждением