20372

Ламповые высокочастотные генераторы с внешним возбуждением

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

4 а для анодного тока при при ; при 5. Для анодного тока рис.7 где крутизна линии граничного режима проводимая через точки резкого спада анодного тока см.4а для сеточного тока при запишем: при ; при 5.

Русский

2013-07-25

433.5 KB

86 чел.

Лекция 5. Ламповые высокочастотные генераторы с внешним возбуждением

5.1. Типовая электрическая схема лампового ГВВ

5.2. Статические характеристики триода и тетрода и их аппроксимация

5.3. Определение токов и напряжений в ламповом  ГВВ

5.4. Динамическая характеристика и режимы работы ГВВ

5.1. Типовая электрическая схема лампового ГВВ

Типовая схема лампового ГВВ (рис. 5.1) содержит: электровакуумный прибор - тетрод; выходную электрическую цепь - параллельный колебательный контур; входную электрическую цепь - высокочастотный трансформатор; цепи питания анода, управляющей и экранной сеток.

Рис. 5.1. Типовая схема лампового ГВВ

АЧХ контура, в анодной цепи, имеет вид

,                                          (5.1)

где  - напряжение при резонансной частоте ,        - добротность контура;  - относительная расстройка,

,                                               (5.2)

где ,  - индуктивность и емкость контура.

Графики функции (5.1) при Q=30 и Q=100 приведены на рис. 5.2. Кроме согласования с нагрузкой параллельный контур выполняет функцию фильтра, так как при Q»1 при небольшом отклонении частоты сигнала  от резонансной частоты  напряжение на нем резко падает. При Q»1 полоса пропускания контура:       .                                (5.3)

Рис. 5.2. АЧХ параллельного колебательного контура

Благодаря высокой добротности контура при , напряжение на выходе генератора является синусоидальным. Напряжение на входе лампы складывается из ВЧ сигнала источника возбуждения  и постоянного напряжения смещения :

,

где  - амплитуда ВЧ сигнала.

Напряжение на выходе лампы, снимаемое с электродов анод-катод, складывается из постоянного напряжения , и высокочастотного напряжения  на анодном контуре, резонансная частота которого - равна частоте входного сигнала. Поскольку лампа поворачивает фазу сигнала на , то перед  следует поставить знак «—»:

,                                     (5.4)

где  - амплитуда ВЧ сигнала на анодном контуре.

Для связи с нагрузкой (рис. 5.1) служит емкость , не пропускающая на выход генератора постоянное напряжение. Для защиты от проникновения ВЧ сигнала в цепи питания включены дроссели . Той же цели служат блокировочные конденсаторы , замыкающие ВЧ сигнал на землю.

5.2. Статические характеристики триода и тетрода и их аппроксимация

Лампа в схеме ГВВ предназначена для усиления мощности входного сигнала. Для определения параметров ГВВ необходимо найти анодный ток лампы. Данная задача может быть решена с помощью статических характеристик электровакуумного прибора, которые делятся на три основных вида: анодно-сеточные -  при разных значениях  и  (рис. 5.3,a); анодные -  при разных значениях и  (рис. 5.3,б); сеточные -  при разных значениях  и  (рис. 5.3,а).

Рис. 5.3. Статические характеристики лампы

Эти характеристики называются статическими, потому что они снимаются при постоянных напряжениях на электродах без ВЧ сигнала.

При расчете ГВВ производится полигональная аппроксимация этих характеристик отрезками прямых (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Полигональная аппроксимация статических характеристик

Согласно рис. 5.4, а для анодного тока при  

 при ;   при ,                    (5.6)

где - напряжение отсечки;  - крутизна анодно-сеточной характеристики лампы (сокращенно - крутизна), измеряемая в мА/В. 

Чем больше анодное напряжение  тем левее располагается характеристика . Для анодного тока (рис. 5.4,б) при  имеем:

при ;        при                 (5.7)

где  - крутизна линии граничного режима, проводимая через точки резкого спада анодного тока (см. рис. 5.3,б), мА/В;  - напряжение, при котором происходит излом анодной характеристики; значение  зависит от уровня напряжения на сетке  

Согласно рис. 5.4,а для сеточного тока при  запишем:

при ;   при ,                              (5.8)

где  - крутизна сеточной характеристики лампы, мА/В. 

5.3. Определение токов и напряжений в ламповом ГВВ

Определим анодный и сеточный токи в лампе графическим методом по аппроксимированным характеристикам (рис. 5.5). При выполнении построений принято во внимание, что анодный ток  протекает только при мгновенном значении напряжения на управляющей сетке  а сеточный - при . При остальных значениях напряжения  эти токи равны нулю. В результате анодный и сеточный токи приобретают форму импульсов косинусоидальной формы.

Рис. 5.5. Графический метод расчета анодного тока

Эти импульсы характеризуются амплитудой и длительностью у основания, половина которой называется углом отсечки. Импульсы анодного тока имеют амплитуду  и угол отсечки , импульсы сеточного тока - , . Такие импульсы периодически повторяются через . Таким образом, в анодной цепи лампы протекает ток  импульсной формы (рис. 5.6,а), а в сеточной - ток  (рис. 5.6,б).

Рис. 5.6. Импульсные токи в анодной и сеточной цепи лампового ГВВ

Проведем ось ординат посредине первого косинусоидального импульса. Тогда согласно рис. 5.6,а для анодного тока при  запишем:

при ;   при ,  (5.9)

где S - крутизна анодно-сеточной характеристики;  - амплитуда входного сигнала.

Из (5.9) при  получим для амплитуды анодного тока

.                                          (5.10)

Косинус угла отсечки анодного тока согласно рис. 5.5

.                                                (5.11)

Аналогично для сеточного тока  при  запишем:

при ;  при .(5.12)

Из (5.12) при  получим для амплитуды сеточного тока

.                                          (5.13)

Косинус угла отсечки сеточного тока согласно рис. 5.5

.                                                     (5.14)

Разложим периодическую функцию  в ряд Фурье

,           (5.15)

- n гармоника анодного тока, где n=0,1, 2, 3 ...

Вычислив интеграл, получим для постоянной составляющей анодного тока с учетом (5.10)

.                                 (5.16)

где ; .

Для n-й гармоники анодного тока с учетом (5.10)

,                                    (5.17)

где ; .

Для 1-й гармоники (n=1) из (5.17) имеем

,                                      (5.18)

где ; .

Коэффициент формы косинусоидального импульса:

.                                         (5.19)

Зависимости , ,  называются коэффициентами разложения в ряд Фурье  косинусоидальных импульсов.

Аналогично производится разложение в ряд импульсов сеточного тока:

Постоянная составляющая сеточного тока  определяется по формуле, аналогичной (5.16), в которой амплитуду  следует заменить на  (5.13), а угол отсечки  на , (5.14). Гармоники сеточного тока  определяются по формуле (5.17), в которой следует произвести аналогичные замены. В результате получим:

;                                 (5.20)

.                                 (5.21)

Определим напряжение на анодном контуре  (см. рис. 5.1).

При настройке контура в резонанс () он имеет большое сопротивление на частоте 1-й гармоники:

,                                        (5.22)

где  - волновое сопротивление контура и малое, близкое к нулю, на всех остальных гармониках - 2, 3-й и т.д. Такое свойство контура позволяет считать напряжение на нем синусоидальным

,                                          (5.23)

где - амплитуда напряжения 1-й гармоники на контуре.         (5.24)

В соответствии с формулами (5.5) и (5.23) для напряжения между электродами лампы анод-катод имеем

.                             (5.25)

Согласно полученным выражениям для напряжений на управляющей сетке  (6.4) и аноде  (5.25) и для анодного  (5.9) и сеточного токов  (5.12) построим соответствующие диаграммы (рис. 5.8), отображающие формы сигнала на выходе и входе электронного прибора ВЧ генератора.

Полученные выражения позволяют составить уравнения баланса мощностей в генераторе.

Рис. 5.8. Диаграммы, отображающие формы сигнала на выходе и входе электронного прибора генератора.

Уравнение баланса мощностей в анодной цепи генератора примет вид

,                                        (5.26)

где

                                      (5.27)

мощность 1-й гармоники сигнала в анодной цепи или выходная мощность ВЧ генератора;

                                        (5.28)

мощность, потребляемая от источника постоянного тока по цепи анода; - мощность, рассеиваемая в виде тепла анодом лампы.

Для КПД генератора с учетом (5.16), (5.18), (5.19), (5.27), (5.28) получим

,                                (5.29)

где  - коэффициент использования анодного напряжения.

Уравнение баланса мощностей в сеточной цепи ВЧ генератора примет вид

,                                                  (5.30)

где                                             ,                                                (5.31)

мощность 1-й гармоники сигнала в сеточной цепи или входная мощность ВЧ генератора;

                                                 (5.32)

мощность, рассеиваемая в источнике напряжения смещения;  - мощность, рассеиваемая в виде тепла управляющей сеткой лампы.

Значения  и  не должны превышать предельных значений данных параметров в используемом электровакуумном приборе.

5.4. Динамическая характеристика и три режима работы ВЧ лампового генератора

Определим динамическую характеристику лампового ГВВ для мгновенных значений анодного тока и напряжения:  при типовом значении угла отсечки .

Согласно (5.9) и (5.10) для анодного тока (см. рис. 5.8) запишем:

 при ;   при ,      (5.33)

Согласно формулам (5.25) и (5.24) для анодного напряжения имеем

.                                      (5.34)

Решая уравнения (5.33) и (5.34), исключив из них время t, получим:

при ,  при .         (5.35)

Согласно (5.35) динамическая характеристика генератора состоит из двух отрезков прямых линий. Каждый период колебаний рабочая точка, характеризуемая координатами , «пробегает» по ней: полпериода по одной ветви, полпериода - по другой. Построим динамическую характеристику (5.35) на плоскости статических ВАХ (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Динамическая характеристика ГВВ

Одна ветвь этой характеристики () проходит по оси абсцисс правее координаты , и неизменна, а вторая располагается на плоскости под углом:

,   (5.36)

где при  коэффициент .

Согласно (5.36) при изменении сопротивления анодной нагрузки по 1-й гармонике сигнала , меняется угол наклона у динамической характеристики: от  при  (режим КЗ) до  при  (режим ХХ). До тех пор пока динамическая характеристика не пересекает линию граничного режима (рис. 5.9, случаи 1 и 2), форма импульса анодного тока остается  косинусоидальной. При возрастании значения  и соответственно , в динамической характеристике происходит второй излом и появляется третий участок, проходящий по линии граничного режима, а в импульсе анодного тока появляется провал (рис. 5.9, случай 3).

В результате в ламповом ГВВ возможны три режима работы:

граничный, при котором динамическая характеристика касается линии граничного режима, ему соответствует значение сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала  и амплитуда ВЧ напряжения  импульс тока имеет косинусоидальную форму (рис. 5.9, случай 2);

недонапряженный, при котором динамическая характеристика не доходит до линии граничного режима, ему соответствует значение сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала  и амплитуда ВЧ напряжения , импульс тока имеет косинусоидальную форму (рис. 5.9, случай 1);

перенаиряженный, при котором динамическая характеристика пересекает линию граничного режима и далее с ней совпадает, этому режиму соответствует значение сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала  и амплитуда ВЧ напряжения  импульс тока имеет косинусоидальную форму с провалом посередине (см. рис. 5.9, случай 3).

Возникновение провала в импульсе анодного тока связано с тем, что при возрастании амплитуды  уменьшается остаточное напряжение на аноде лампы  (см. рис. 5.9), которое становится соизмеримым с максимальным значением напряжения на управляющей сетке . Вследствие этого поток электронов, идущий от катода к аноду «перехватывается» управляющей сеткой, ток которой резко возрастает, а в анодном токе при этом происходит провал. В перенапряженном режиме с увеличением сопротивления  провал в импульсе тока возрастает, что может привести к «расщеплению» импульса (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Эффект расщепления импульса анодного тока

Определим параметры ВЧ генератора в граничном режиме (рис. 5.11).

Рис. 5.11. К определению параметров генератора в граничном режиме

Из рис. 5.11, следует

,                              (5.37)

где  - крутизна линии граничного режима; - коэффициент использования анодного напряжения в граничном режиме работы.

Мощность 1-й гармоники сигнала в граничном режиме

           (5.38)

или , где .

Решив квадратное уравнение (5.38), для коэффициента использования анодного напряжения в граничном режиме работы получим

.                                    (5.39)

При  режим работы ГВВ недонапряженный, при  - перенапряженный. Наиболее часто генератор работает в граничном режиме с максимальным КПД. В особых случаях, например при амплитудной модуляции, выбираются другие режимы работы.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте типовую схему лампового генератора с внешним возбуждением.

2. Как проводится аппроксимация статических характеристик триода?

3. Проведите на характеристиках лампы линию граничного режима.

4. Как определяется угол отсечки анодного тока?

5. Как определяется угол отсечки сеточного тока?

6. Как производится разложение периодической функции в ряд Фурье?

7. Что такое коэффициенты разложения косинусоидального импульса?

8. Назовите и опишите три режима работы по напряженности генератора с внешним возбуждением.

9. Как определяется граничный режим работы генератора?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77374. Распределенная виртуальная сцена в онлайн-визуализации 30.5 KB
  Визуализация результатов вычислений для большого числа задач выполняется с помощью трехмерной графики. Для отображения результатов счета часто применяются стандартные графические пакеты, такие как ParaView или Open Data Explorer. При этом существует необходимость получать представление и о ходе выполнения программы и состоянии обрабатываемых данных.
77375. Изучение социальной тревожности у различных групп пользователей сети Интернет 391 KB
  Провести теоретический анализ работ, посвященных социальной тревожности и проблемам, связанным с использованием сети Интернет и онлайн-игр. Выделить и описать группы пользователей сети Интернет и виды сетевой активности. Выявить факторы, связанные с проявлением высокой социальной тревожности. Подобрать методически инструментарий, позволяющий определить уровень социальной тревожности. Провести анализ различий в проявлении социальной тревожности между респондентами из различных групп.
77376. О подсистеме истории в среде научной визуализации SharpEye 48.5 KB
  Обсуждаются пути реализации подсистемы редактируемой истории в возможности которой должны входить функции отката и повтора манипуляций проделанных пользователем сохранение и восстановлении подобранного вида сцены. Ключевые слова: научная визуализация система визуализации подключаемые внешние модули редактируемая истории откат повтор действий Введение В течение последних лет авторы разрабатывают среду ShrpEye – конструктор систем научной визуализации [34]. Соответственно система должна предоставлять пользователю функционал...
77377. Функциональные возможности среды-конструктора систем научной визуализации SharpEye 38.5 KB
  Существующие системы научной визуализации можно разделить на три группы: универсальные системы (VIZIT, ParaView), системы, специализированные для некоторого класса задач (IVS3D, Venus, VolVis); и системы, специализированные для конкретной задачи. Недостатки первых двух групп – сложность в освоении, неизменность встроенных алгоритмов представления или высокая сложность их модификации.
77378. СИСТЕМА СОБЫТИЙНО-УПРАВЛЯЕМОЙ ТРАНСЛЯЦИИ LiME 34.5 KB
  Но архитектура мультиклеточных процессоров кроме повышения эффективности исполнения кода обладает рядом других важных и необходимых на практике возможностей таких как продолжение исполнения программы даже при выходе из строя части исполнительных устройств и группировка функциональные устройства более оптимальным для каждой конкретной задачи образом отключая при этом в целях экономии энергии устройства которые не используются и некоторые другие. В этой разработке самой первой из самых трудоёмких задач следует решить задачу по переводу...
77379. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ БОЛЬШИХ И СВЕРХБОЛЬШИХ ОБЪЁМНЫХ ДАННЫХ 30.5 KB
  Методы визуализации больших объёмных данных активно развиваются в том числе благодаря новым аппаратным средствам. В данной работе рассматриваются различные подходы к визуализации объёмных данных как с программной так и с аппаратной стороны актуальные на сегодняшний день. Также рассматривается специфика представления объёмных данных в памяти видеокарты и следующие из этого особенности и ограничения распределение задачи визуализации между GPU и CPU...
77380. Создание грид-сервисов для автоматизированной интеграции инженерных пакетов и интерактивных средств визуализации 38.5 KB
  Использование технологий Грид для обеспечения серьезных научных вычислений в интересах промышленности требует поддержки современных инженерных (Computer-Aided Engineering – CAE) пакетов. Инженерные пакеты, по сути, являются средами решения задач математической физики
77381. СРЕДА-КОНСТРУКТОР СИСТЕМ НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ 33.5 KB
  В докладе сообщается о разрабатываемой авторами системе научной визуализации. В основе процесса научной визуализации лежит методика перевода абстрактных объектов в геометрические образы что дает возможность исследователю наблюдать результаты численного моделирования. Проблемой традиционных систем визуализации является жестко прописанный набор алгоритмов так что затруднена визуализация объектов образы которых строятся иными процедурами.