Особенности усилителей мощности радиопередающих устройств

Усилители мощности в технике радиопередающих устройств принято называть генераторами с внешним возбуждением.

Нагрузкой выходного каскада является контур, настроенный на частоту усиливаемых колебаний.

Требования к усилителям мощности в радиопередающих устройствах отличаются двумя характерными особенностями:

- во-первых, требуется получить большую выходную мощность при минимуме потерь;

- во-вторых, нет необходимости сохранять форму усиливаемых колебаний, как в усилителях звуковой частоты.

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) представляет собой преобразователь мощности источника постоянного тока Р₀ в мощность высокой частоты Р_к. Работа ГВВ возможна только при подаче на его вход внешнего сигнала Р_вх (от возбудителя). При этом Р_вх < Р_к. Основные показатели работы ГВВ: мощность радиочастоты в нагрузке Р_к, КПД генератора , коэффициент усиления по мощности . спектр колебаний в нагрузке внутри и вне занимаемой полосы частот, отсутствие самовозбуждения.

В качестве усилительных приборов в ГВВ используют электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы, а в ключевых генераторах - и тиристоры. Электронные лампы широко применяют благодаря их универсальности. Они работают в широком диапазоне частот и обеспечивают выходную мощность от единиц ватт до нескольких мегаватт, устойчивы к внешним воздействиям (температура, давление, механические нагрузки), имеют срок службы до 5000 ч. Полупроводниковые приборы применяют в передатчиках малой и средней мощности.

Физические процессы, лежащие в основе работы ламп и транзисторов, различны, однако их вольтамперные характеристики качественно одинаковы, хотя и имеют некоторые различия. Лампы обладают левыми характеристиками, т.е. находятся в области отрицательных напряжений на управляющей сетке, а характеристики транзисторов сдвинуты вправо, и запирание транзистора происходит при нулевом напряжении на базе.

Генератор внешнего возбуждения может работать как в линейном, так и в нелинейном режимах. Линейный режим работы обеспечивается при угле отсечки θ = 180°. Угол отсечки θ - это выраженная в угловой мере (градусах, радианах) половина той доли периода, в течение которой существует анодный (коллекторный) ток. Режим усилителя мощности радиочастоты при θ = 180° называется колебаниями первого рода (они соответствуют классу А в апериодических усилителях). В режиме колебаний первого рода ГВВ применяют крайне редко из-за невысокого КПД, не превышающего 50%.

В этом режиме амплитуды входного напряжения и напряжения смещения подобраны так, что. работа происходит на линейном участке характеристики лампы (или транзистора) (рис. 2.2, а). При этом кроме переменной составляющей тока в цепи протекает большой постоянный ток I₀, который обусловливает энергетические потери, Полная потребляемая мощность источника P₀ = I₀E_a определяется этим током и напряжением питания E_a. Полезная мощность связана только с переменной составляющей тока I₁.

Нелинейный режим обеспечивается при θ < 180° (колебания второго рода). При этом форму импульсов анодного (коллекторного) тока характеризуют амплитуда I_am (I_кm) и угол отсечки θ.

Углом отсечки называется та часть периода (см. рис. 2.2, б), в течение которого протекающий ток изменяется от максимального значения до нуля.

Рис. 2.2. Режимы работы ламп без отсечки (а) и с отсечкой (б) анодного тока

Энергетические соотношения в ГВВ рассмотрим на примере транзисторного каскада (рис. 2.3) [2].

Мощность, потребляемая от источника, P₀ = 0,5I_к0E₀, полезная мощность, выделяемая в нагрузке, P_к = 0,5I_к1U_к, мощность источника возбуждения Р_с = 0,5I_б1U_c, коэффициент полезного действия (электронный КПД) =0,5(I_к1U_к)/( I_к0E₀)] и коэффициент усиления по мощности К_р = Р_к/Р_с = (I_к1U_к)/(I_б1U_c). Из приведенных соотношений видно, что К_р и определяются гармоническими составляющими токов транзистора, которые, в свою очередь, являются функциями углов отсечки. Графики зависимости коэффициентов разложения косинусоидального импульса α₀, α₁, α₂, α₃, α₁/ α₀ от угла отсечки θ приведены на рис. 2.4.

Из графиков видно, что для каждой гармоники существуют оптимальные углы отсечки, при которых их содержание в импульсах максимально. Максимум полезной мощности соответствует выражению θ_опт≈ 120°/n. Для первой гармоники n=1 и θ_опт≈ 120°, для второй (n=2) - соответственно θ_опт≈ 60° и т.д.

Рис. 2.4. Зависимости коэффициентов разложения от угла отсечки

Амплитуда тока n-й гармоники всегда меньше амплитуды тока гармоники более низкого порядка. Следует также отметить, что при θ = 90° коэффициент α₃ = 0, т.е. в спектре тока отсутствует третья и все нечётные гармоники выше третьей.

Эффективность преобразования энергии источника E₀ в энергию радиочастотных колебаний количественно оценивают электронным КПД ( ). Если , а , то , где α₁/ α₀ называется коэффициентом формы импульса тока, U_к/Е₀- коэффициентом использования коллекторного (анодного) напряжения.

Как видно из графика, при 0 < θ < 120° полезная мощность падает с уменьшением θ, а растет (штриховая линия на рис. 2.4), достигая своего максимума (при заданном i_{a max}) при θ = 0. Однако такой режим не имеет физического смысла, так как Р_к и Р₀ принимают нулевые значения. На практике выбирают θ = 90°. При этом полезная мощность меньше максимально возможной на 7%, а выше почти в 1,2 раза ( = 73%). Более высокое значение можно получить в транзисторных ГВВ, работающих в ключевом режиме, когда импульс тока формируется в состоянии насыщения транзистора. Это повышает надежность работы схемы, так как при заданной генерируемой мощности потери в транзисторе минимальны; параметры транзистора мало влияют на генерируемую мощность; упрощается настройка генератора в производстве. Следует заметить, что форму импульса анодного тока могут искажать сеточные токи, так как при низком анодном напряжении, когда напряжение на сетке положительно, значительная часть общего катодного тока может ответвляться на сетку. Степень влияния сеточного тока характеризует напряженность режима работы генератора. По напряженности различают три режима работы: недонапряженный режим, характеризующийся остроконечной формой импульса анодного тока; критический режим, когда импульс анодного тока несколько усечен в верхней части, и перенапряженный режим, при котором возникает провал на вершине импульса анодного тока (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Недонапряженный (а. б), критический (в) и перенапряженный (г) режимы работы лампы

Рис. 2.6. Зависимости мощности и КПД оконечного каскада от сопротивления нагрузки

Напряженность режима в значительной мере определяется величиной нагрузочного сопротивления (эквивалентным сопротивлением контура R_э), так как от него зависит напряжение на аноде лампы. Зависимости мощностей и КПД анодной цепи от сопротивления нагрузки выражаются нагрузочными характеристиками (рис. 2.6). Колебательная мощность в контуре Р_к1 = U_к1I_к1/2 максимальна в критическом режиме (Я_э = Я_{э кр}). В недонапряженном режиме напряжение на контуре U_к1 мало, так как сопротивление контура R_э невелико. В области перенапряженного режима в импульсах анодного тока появляются провалы, что приводит к уменьшению первой гармоники тока I_a1.

Из характеристик также видно, что при возрастании сопротивления нагрузки потребляемая мощность Р₀ уменьшается. Однако в области недонапряженного режима это уменьшение незначительно, так как форма импульса анодного тока почти не изменяется. При увеличении сопротивления R_э в перенапряженном режиме подводимая мощность резко уменьшается вследствие появления провала в импульсах анодного тока и соответственного уменьшения постоянной составляющей анодного питания.

Мощность рассеяния на аноде Р_а представляет собой разность подводимой и колебательной мощностей. В области недонапряженного режима рассеиваемая мощность может быть настолько велика, что анод лампы расплавится. Это, в частности, происходит, если выключить задающий генератор при работе усилителя мощности в режиме с малым углом отсечки.