Коллекторная амплитудная модуляция

Для изучения особенностей и характеристик коллекторной модуляции исследуем зависимость параметров режима генератора от напряжения питания коллектора (Ек). С этой целью построим ряд динамических характеристик коллекторного тока при различных значениях Ек. Для упрощения задачи будем полагать фиксированными значения сопротивления коллекторной нагрузки Rк, амплитуды возбуждения Uу, напряжения смещения Еу и угла

отсечки коллекторного тока θ=90⁰. Соответствующие динамические характеристики представлены на рисунке 7.4.

При больших Ек генератор находится в недонапряженном и критическом режимах (характеристики 1,2). При этом, импульс тока (для идеализированных статических характеристик) остается неизменным, и соответственно не меняется амплитуда коллекторного напряжения Uк=Iк1·Rк.

При дальнейшем уменьшении коллекторного напряжения генератор переходит в перенапряженный режим и в импульсе тока появляется провал.

 

Соответственно уменьшаются значения Iк0, Iк1 и Uк.

Рисунок 7.4 Динамические характеристики коллекторного тока

 

Заметим, что при очень малых значениях Ек коллекторный ток в транзисторных генераторах может поменять знак.

Таким образом, коллекторная модуляция в рассмотренном случае возможна лишь в ПНР, т.к. только в этом режиме проявляется зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения.

Построим статические модуляционные характеристики генератора для области ПНР (рисунок 7. 5).

По мере снижения коллекторного напряжения ток Iк1 уменьшается вследствие увеличения провала в импульсе коллекторного тока; с другой стороны с увеличением напряженности режима растет коэффициент использования коллекторного напряжения ξ.

Это приводит к нарушению прямой пропорциональной зависимости между Iк1 и Ек, т.к.

(7.7)

Наконец, при Ек провал в импульсе

тока коллектора резко увеличивается и ток Iк1 (в транзисторном генераторе)может поменять знак. В ламповом генераторе анодный ток не может поменять направление, поэтому при Еа ток Iа1 .

Область характеристик, в которой коллекторный ток может поменять направление, близка к 0, поэтому в дальнейшем с небольшой погрешностью можно полагать, что статические характеристики при коллекторной модуляции начинаются из начала координат.

Из статических характеристик очевидны два основных недостатка коллекторной модуляции – нелинейность зависимости Iк1 = f (Ек) и значительная величина тока управляющего электрода. Последний недостаток определяется особенностями идеализированных характеристик тока истока, который не зависит от коллекторного напряжения, а ток управляющего электрода iу=iu-iк. У реальных АЭ этот недостаток отчётливо проявляется у генераторных ламп и, в меньшей мере, - у транзисторов.

Согласно (7.7), для устранения указанных недостатков необходимо обеспечить независимость коэффициента использования коллекторного напряжения ξ от Ек. Для этого режим генератора должен оставаться близким к критческому при понижении Ек. Достигнуть такого состояния возможно только одновременным и пропорциональным снижением максимального напряжения на управляющем электроде eкмакс=Uу +Eу, как это показано на рисунке 7.6. Осуществить это можно путём предварительной модуляции возбуждения Uу, или Eу, или Uу и Eу одновременно. Такая коллекторная модуляция получила название комбинированной.

Статические модуляционные характеристики комбинированной коллекторной модуляции представлены сплошными линиями на рисунке 7.6.

Здесь ЕкТ и Iк1Т соответствуют режиму генератора при отсутствии модуляции (режиму несущей частоты). Эти параметры определяют положение рабочей («телефонной») точки на статической модуляционной характеристике.

Рисунок 7.6 – Статические модуляционные характеристики

при комбинированной коллекторной модуляции

 

Если допустить некоторое нарастание напряженности режима по мере снижения Ек, то возможно достижение необходимого эффекта путём использования автоматического смещения за счёт постоянной составляющей тока управляющего электрода (см. например, рисунок 4.10). Модуляция коллекторным напряжением с применением автоматического смещения на управляющем электроде получила в литературе название «двойной» коллекторной модуляции.

Полная стабилизация напряженности режима при коллекторной модуляции обычно достигается при одновременной амплитудной модуляции возбуждения Uу. Если при этом используется и автоматическое смещение, то модуляцию называют «тройной». Заметим, что коэффициент модуляции возбуждения (mv)не должен превышать 0,6 ÷ 0,8, т.к. у реального АЭ при малых значениях Ек угол отсечки становится меньше 90⁰, а в этом случае коллекторный ток исчезает при конечном значении Uу (см. рисунок 5.3). Если допустить mv>0,8, возникнет «перемодуляция» и, связанные с этим, значительные нелинейные искажения.

В ламповых генераторах на тетроде стабилизация напряженности режим при анодной модуляции достигается одновременным изменением анодного напряжения Еа и напряжения на экранирующей сетке Ес2. Модуляция в этом случае называется анодно-экранной.

Заметим, что угол отсечки коллекторного тока слабо влияет на линейность статической модуляционной характеристики, поэтому его можно выбирать в соответствии с рекомендациями в разделе 3.8

Рассмотрим полный комплект статических модуляционных характеристик генератора при комбинированной коллекторной модуляции. Характер изменения коллекторных токов определён на рисунке 7.6. Амплитуда коллекторного напряжения Uк= Iк1·Rк, и характер её зависимости от Ек аналогичен зависимостям токов в силу постоянного сопротивления нагрузки Rк.

Колебательная мощность генератора Р1=0,5·Iк1² ·Rк. Поскольку между Iк1 и Ек существует прямо пропорциональная зависимость, мощность Р1 изменяется пропорционально квадрату Ек. Потребляемая мощность Р0=Ек Iк0, и, поскольку Iк0 пропорционален Ек, то Р0 также представляет собой квадратичную зависимость от Ек. Мощность тепловых потерь Рк =Р0-Р1 и, следовательно, также изменяется пропорционально Ек². Коэффициент полезного действия генератора определяется отношением Р1/Р0 и не зависит от Ек.

Полный комплект статических модуляционных характеристик при комбинированной коллекторной модуляции представлен на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7 - Статические модуляционные характеристики

коллекторной амплитудной модуляции

 

Согласно (7.5) Р1макс=Р1Т(1+m)²; поскольку электронный к.п.д. генератора при коллекторной модуляции не зависит от Ек, аналогичные зависимости будут иметь место и для Р0 и для Рк

Р0макс=Р0Т(1+m)²

Ркмакс=РкТ(1+m)² (7.8)

Соответственно для амплитуд токов и напряжений на коллекторе получим

Iк1макс=Iк1Т(1+m); Iк0макс=Iк0Т(1+m)

Uкмакс=UкТ(1+m); Екмакс=ЕкТ(1+m) (7.9)

Определим теперь динамические модуляционные характеристики генератора при коллекторной модуляции.

Для этого подадим на коллектор АЭ звуковое напряжение U_Ω=mEкТ (см. рисунок 7.8)

Рисунок 7.8 – Коллекторная модуляция

 

При этом постоянная составляющая начнёт меняться в соответствии со звуковым сигналом. Амплитуда звуковой составляющей коллекторного тока составит I_Ω=m·Iк0Т. Таким образом, для осуществления коллекторной модуляции в коллекторную цепь генератора необходимо подать звуковой сигнал, мощность которого составит

Р_Ω=0,5·I_Ω·U_Ω=0,5m²Iк0Т ·EкТ = 0,5m²·Р0Т (7.10)

При m=1, Р_Ω=0,5·Р0Т; таким образом модуляционное устройство передатчика должно будет обеспечить звуковую мощность сравнимую с мощностью потребляемой генератором.

Зависимость колебательной мощности от амплитуды звукового напряжения определена выражением (7.6), где m, при линейной модуляции, согласно (7.3) пропорционален U_Ω. Поскольку к.п.д. генератора при коллекторной модуляции не зависит от Eк, для потребляемой мощности и мощности потерь на коллекторе получим выражения аналогичные (7.6)

(7.11)

(7.12)

Если в схему генератора включить прибор, измеряющий ток нагрузки, то он покажет среднее за период модуляции значение, которое определится очевидным выражением

(7.13)

Графики динамических модуляционных характеристик коллекторной модуляции представлены на рисунке 7.9.

Сравнивая (7.11) и (7.10), можно сделать вывод, что непосредственно от источника питания генератор потребляет мощность Р0Т, а остальную часть от модулятора, т.е. Р0ср= Р0Т + Р_Ω.

Рисунок 7.9 – Динамические модуляционные характеристики

генератора с коллекторной модуляцией

 

При анодной модуляции ламповых генераторов, благодаря высокому и постоянному электронному к.п.д., а также способности генераторных ламп кратковременно выдерживать значительные перегрузки по напряжению и току, стало возможным форсирование генератора по мощности в максимальной точке статической модуляционной характеристики. На практике генераторные лампы при анодной модуляции форсируют в 2 раза по напряжению и в 1,5 ÷ 2 раз по току. Таким образом, от генераторной лампы при анодной модуляции можно получить мощность в 3 ÷ 4 раза больше номинальной (паспортной). При этом напряжение источника питания ЕаТ выбирается равным номинальному ЕаN.

Транзисторные генераторы, в отличие от ламповых, не могут быть форсированы, т.к. транзистор не допускает даже кратковременных перегрузок, как по напряжению, так и по току. Более того, для обеспечения надежной работы генератора, номинальная мощность транзистора выбирается, как правило, с некоторым запасом по отношению к пиковой мощности. Напряжение источника питания в этом случае составляет не более 1/4 от максимально допустимого значения коллекторного напряжения (екдоп). Эта особенность транзисторного генератора иллюстрируется волновой диаграммой на рисунке 7.10.

Рисунок 7.10 – Волновая диаграмма коллекторной модуляции

транзисторного генератора

Ориентировочно напряжение источника питания Ек= ЕкТ выбирается следующим образом

(7.14)

На рисунке 7.11 приведена принципиальна схема анодно-экранной модуляции с двухтактным модулятором класса «В»

 

Рисунок 7.11 – Схема анодно-экранной модуляции

 

Мощный модулятор собран на лампах V2, V3 и представляет собой двухтактный усилитель мощности звуковой частоты, работающий с углом отсечки 90⁰ в недонапряженном режиме. Это позволяет получить относительно высокий электронный к.п.д. и линейную амплитудную характеристику. Для обеспечения требований ГОСТ на электроакустические показатели модулируемого генератора, в схему модулятора включаются цепи отрицательной обратной связи (на схеме не показаны).

Звуковой сигнал через трансформатор поступает на модуляционный дроссель Lм, складывается с напряжением источника питания Еа, и модулирует генератор по анодной цепи. Чтобы исключить подмагничивание трансформатора постоянным анодным током генератора, используется параллельная схема питания анодной цепи генератора с помощью модуляционного дросселя Lм и разделительного конденсатора Срм. Опасность подмагничивания стального сердечника трансформатора постоянным током заключается в появлении нелинейных искажений сигнала. Искажения возникают вследствие смещения рабочей точки (Но), в область насыщения на характеристике трансформатора, отражающей зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н (график а на рисунке 7.12).

Рисунок 7.12 – Характеристики намагничивания трансформатора

 

Аналогичное явление должно проявляться и в модуляционном дросселе, поэтому в сердечнике дросселя делается зазор, увеличивающий сопротивление магнитному потоку. В результате характеристика намагничивания сердечника дросселя принимает форму графика б. Протяжённость линейного участка увеличивается, и искажения исчезают.

Введение зазора в сердечник трансформатора крайне не желательно, т.к. при этом увеличивается индуктивность рассеяния и сокращается полоса пропускания трансформатора. Кроме того, пришлось бы увеличивать объём сердечника для сохранения прежнего значения индуктивности холостого хода.

Индуктивности рассеяния модуляционного трансформатора (Ls) могут привести к существенной неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) модулятора в области верхних звуковых частот. Для нечётных гармоник, которые проходят через трансформатор, индуктивности рассеяния совместно с конденсаторами Сбл и Ср (их ёмкость достаточно велика) образуют контур, резонансная частота ωн которого обычно лежит в пределах 20 – 50 кГц. В результате на частотах близких к частоте ωн в трансформаторе возникают перенапряжения, способные привести к пробою его обмоток. Для исключения такой ситуации, параллельно первичным полуобмоткам трансформатора включаются конденсаторы С, которые совместно с индуктивностями рассеяния и ёмкостью Сбл + Ср образуют звено фильтра нижних частот (ФНЧ), нагруженного на генератор, Сопротивление нагрузки, которое генератор оказывает для модулятора Rм= ЕкТ/ Iк0Т. Соответствующим подбором емкостей С выравнивается АЧХ фильтра до частоты среза, которая должна обеспечить прохождение основных частот звукового сигнала и эффективное подавление гармоник за её пределами.

Аналогичная картина возникает и для четных гармоник, которые в двухтактном усилителе синфазны и не проходят через трансформатор. Для четных гармоник индуктивности рассеяния трансформатора включены параллельно и также параллельно включены конденсаторы С. В результате образуется контур с резонансной частотой

При высокой добротности этого контура за счёт четных гармоник в трансформаторе также могут возникнуть перенапряжения. Для исключения таких последствий в схему включается дополнительный резистор Rд, который снижает добротность паразитного контура. Поскольку этот резистор включён в общий провод двухтактной схемы, он не влияет на работу усилителя на частотах звукового сигнала, и поглощает только мощность четных гармоник.

Модуляция по цепи экранирующей сетки осуществляется от отдельной вторичной обмотки. В этом случае применяется последовательная схема питания экранирующей сетки, т.к. потребляемый ею от источника ток значительно меньше анодного и не может вызвать значительного подмагничивания модуляционного трансформатора.

Следует отметить особенность включения разделительного конденсатора Срм, имеющего значительную ёмкость и габариты.Он обязательно должен быть заземлён, т.к. при включении его в не заземленный конец обмотки трансформатора его паразитная ёмкость на землю будет шунтировать вторичную обмотку и вызовет «завал» АЧХ в области верхних звуковых частот. Более подробно с особенностями мощных ламповых модуляторов можно ознакомиться в [11].

На рисунке 7.13 приведен в качестве примера один из вариантов комбинированной коллекторной модуляции транзисторного генератора.

Рисунок 7.13 – Схема коллекторной модуляции

В качестве модулятора в этой схеме использован эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Коллекторная модуляция осуществляется сразу на два высокочастотных каскада. В выходной ступени применена комбинированная коллекторная модуляция, а в предварительном – простая, с меньшим коэффициентом модуляции (см. рисунок 7.13). Нагрузка эмиттерного повторителя образована коллекторной цепью VT3 и резистором R1, с которого часть напряжения (Ек^/)подается для модуляции предварительного каскада.

Подводя итог проведенному исследованию, отметим, что коллекторная (анодная, стоковая) модуляция обеспечивает высокие энергетические и электроакустические показатели. В месте с тем, основным недостатком коллекторной модуляции является необходимость мощного модулятора (сравнимого по мощности с модулируемым генератором), что в конечном счёте приводит к снижению надежности устройства в целом.