Устойчивость работы генератора с внешним возбуждением

При анализе работы генератора с внешним возбуждением, как правило, не учитывалось влияние на работу генератора паразитных индуктивностей выводов и междуэлектродных ёмкостей активного элемента. Исключение составил лишь раздел 4.3, где при анализе входных цепей транзисторных генераторов учитывалась проходная ёмкость АЭ.

В реальных условиях паразитные элементы АЭ, индуктивности соединительных проводников, взаимные ёмкости конструктивных элементов, их ёмкости относительно «земли», а также блокировочные элементы схемы могут привести к передаче энергии с выхода генератора на его вход. Если при этом будут выполнены (по аналогии с автогенератором) условия баланса амплитуд и баланса фаз, произойдет самовозбуждение усилителя мощности. Частота колебаний, которые возникают при этом, может быть близка к рабочей частоте генератора, или значительно отличаться от неё (выше, или ниже). В последнем случае самовозбуждение называют паразитными колебаниями.

Самовозбуждение усилителя мощности во всех случаях крайне не желательно, т.к. приводит к нелинейным искажениям сигнала, к увеличению уровня побочных излучений, а в наиболее тяжелом случае (при большой интенсивности колебаний)к выходу из строя АЭ, или отдельных элементов контура и других цепей.

Поскольку заранее предусмотреть все причины самовозбуждения практически невозможно, при разработке усилителя мощности необходима экспериментальная проверка принятых решений. На основании такой проверки в схему и конструкцию усилителя вносятся соответствующие изменения.

Устойчивость генератора с внешним возбуждением на

Частоте близкой к рабочей

Как уже было отмечено выше, одной из причин самовозбуждения является передача энергии с выхода генератора на его вход за счёт паразитных элементов АЭ. Для выявления путей передачи энергии рассмотрим упрощенные схемы генераторов с общим истоком (ОИ) и с общим управляющим электродом (ОУ), представленные на рисунке (6.1).

В схеме с ОИ (рисунок 6.1а) индуктивность управляющего электрода Lу и ёмкость Суи входят в состав входной согласующей цепи и на степень обратной связи практически не влияют. Аналогично Lк и Ски войдут в состав нагрузочной цепи Zн. Обратная связь возникнет через ёмкость Сук за счёт наведённого выходным напряжением тока iос, а также вследствие появления во входной цепи напряжения иос, наведённого током истока iи на индуктивности Lи. Очевидно, что в схеме с (ОУ), элементами образующими цепи обратной связи будут Ски и Lу.

Рисунок 6.1 – Схемы включения активного элемента

 

Таким образом, обратная связь в усилителе мощности возникает за счёт проходной ёмкости (Сук, Ски) и индуктивности общего, для входной и выходной цепей, вывода (Lи, Lу). Следует отметить, что связь через индуктивность общего вывода проявляется только на очень высоких частотах, в частности и потому, что разработчики электронных приборов стремятся конструктивными мерами минимизировать индуктивность общего вывода (например, выпускаются биполярные транзисторы специально предназначенные для работы с общим эмиттером, или с общей базой).

С учётом выше изложенного, при анализе устойчивости, схемы генератора существенно упрощаются (см. рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Упрощенные схемы генераторов

 

В схеме с ОИ ток обратной связи через ёмкость Сук определится следующим выражением

(6.1)

Здесь - комплексный коэффициент усиления по напряжению. Полагая, что генератор работает в критическом или ННР, получим и, следовательно, = Sср · Zк.

 

При расстройке нагрузочного контура .

В этом выражении Rк – резонансное сопротивление контура; х – обобщенная расстройка

(6.2)

Подставляя значение в (6.1), можно определить составляющую входной

проводимости, обусловленную током обратной связи

Здесь Ко = Sср·Rк -резонансное значение коэффициента усиления по напряжению. Окончательно, после разделения действительной и мнимой частей Δ Y, получим

(6.3)

Мнимая часть этой проводимости Δ b имеет ёмкостный характер и соответственно увеличивает входную ёмкость АЭ. Действительная часть проводимости Δ g согласно (6.3) может быть положительной или отрицательной в зависимости от знака расстройки х. Положительной проводимости Δ g соответствует передача энергии в выходную цепь от источника возбуждения ; отрицательной, наоборот - из выходной цепи во входную.

В последнем случае самовозбуждение генератора наиболее вероятно, если собственная положительная проводимость входной цепи gвх, обусловленная входным током АЭ и элементами схемы, подключёнными к управляющему электроду окажется меньше | Δ g |.

Определим значение расстройки х, при котором | Δ g | достигает макси-мальной величины. Экстремальные значения Δ g соответствуют условию

Решая это выражение, получим, что экстремальные значения Δ g соот-ветствуют х = ± 1. Таким образом, самовозбуждение генератора наиболее вероятно, когда х = - 1, аΔ gмин = -ωСук · Ко/2. Частота, на которой возможно самовозбуждение может быть определена из (6.2) при х = - 1.

Условие устойчивости генератора к самовозбуждению принимает вид

gвх > Δ gмин = -ωСук · Ко/2 (6.4)

Это условие можно сформулировать и как требование к допустимому коэффициенту усиления, но поскольку ГВВ является усилителем мощности, ограничения должны быть определены соответственно для коэффициента усиления по мощности. Найдём связь между коэффициентами усиления по напряжению (Ко)и по мощности (Крои).

(6.5)

Определим gвх из (6.5) и подставим её в (6.4). В результате получим допустимуювеличину устойчивого коэффициента усиления по мощности для ГВВ в схеме с общим истоком (6.6)

Условие (6.6) следует использовать лишь как ориентировочное, поскольку при анализе упрощенной схемы ГВВ не учитывалась обратная связь за счёт индуктивности вывода истока.

В схеме ГВВ с общим управляющим электродом (рисунок 6.2б) проходной ёмкостью является ёмкость между коллектором и истоком Ски. Кроме того, напряжения на входе () и на выходе (), в отличие от схемы с ОИ, синфазны. В остальном схемы на рисунке 6.2 подобны и, следовательно, результаты анализа, выполненные для схемы с ОИ, могут быть использованы и для схемы с ОУ. В частности, выражение (6.1) принимает вид

Соответственно, действительная часть входной проводимости Δ g имеет отрицательное значение при х =+1; вероятная частота самовозбуждения

и Δ gмин= -ωСки · Ко/2.

Условие устойчивости приобретает вид gвх > -ωСки · Ко/2. (6.7)

Определим величину входной проводимости gвх, полагая, что Iи1 Iк1 и, что эта проводимость в основном определяется током истока

При тех же условиях, для коэффициента усиления по мощности получим

Таким образом, для устойчивого коэффициента усиления по мощности в схеме с ОУ, на основании (6.7), имеем

(6.8)

Как правило, Сик<< Сук, поэтому, сравнивая (6.6) и (6.8), можно сделать следующие выводы:

1. При равных коэффициентах усиления по мощности, схема с ОУ обеспечивает устойчивую работу на гораздо более высоких частотах.

2. При одинаковых частотах, схема с ОУ способна обеспечить больший устойчивый коэффициент усиления по мощности.

Следует, однако, иметь в виду, что реализуемый коэффициент усиления по мощности в схеме с ОУ, значительно меньше, чем в схеме с ОИ. Это объясняется отсутствием усиления по току (Iи1 Iк1).

Наиболее простой способ устранения самовозбуждения заключается в искусственном понижении коэффициента усиления по мощности путём добавления во входную цепь внешней положительной проводимости, которая совместно с gвх компенсирует отрицательную проводимость, создаваемую током обратной связи. С этой целью параллельно входу АЭ включается балластный резистор, который увеличивает входную мощность и снижает, таким образом, коэффициент усиления по мощности. В генераторах большой мощности количество тепла, выделяемое в балластном резисторе, может быть настолько велико, что потребуется принудительное его охлаждение.

Опыт практического использования этой меры показывает, что устойчивая работа ГВВ на генераторном тетроде обеспечивается в схеме с общим катодом при коэффициенте усиления мощности не более 40 – 80 [7]. Что касается схемы с общими сетками, то здесь практически реализуемый коэффициент усиления по мощности обычно не превышает 15 – 20, поэтому, в пределах рабочего диапазона частот генераторной лампы, вероятность самовозбуждения генератора практически исключается (при условии грамотного выполнения монтажа).

Снижение коэффициента усиления по мощности в схеме с общим катодом (ОК) приводит к увеличению числа усилительных ступеней передатчика и, следовательно, к снижению его надёжности и промышленного к.п.д.. Увеличение устойчивого коэффициента усиления до 200 ÷ 300 возможно при использовании мостовых схем «нейтрализации» проходной ёмкости лампы. Два варианта таких схем представлены на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 – Схемы нейтрализации

 

Нейтродинные ёмкости CN образуют совместно с проходными ёмкостями электрические мосты, в развязанные диагонали которых включается входная и выходная цепи. Благодаря известным свойствам моста, напряжение с выхода генератора не попадает на вход, и наоборот – со входа генератора на выход.

В однотактной схеме условие баланса моста выглядит следующим образом

В двухтактной схеме, вследствие симметрии моста, условие баланса упрощается Сас = CN

Асимметрия однатактной схемы приводит к существенному влиянию на баланс моста паразитных индуктивностей выводов лампы и соединительных проводов. Поэтому практическое применение она находит в диапазоне частот до 2÷3 МГц. В двухтактной схеме генератора это влияние существенно ослаблено, и такая схема нейтрализации используется до 30 МГц.

На более высоких частотах схема нейтродинного моста даже в двухтактном варианте существенно усложняется, т.к. приходится в схему генератора вводить и нейтродинные индуктивности. Такая схема, предложенная Г.А.Зейтлёнком, описана в [12].