1.1. Принцип действия генератора с независимым возбуждением
1.2. Электронные режимы генераторной лампы
1.3. Квазилинейная теория ламповых генераторов
1.4. Выбор угла отсечки анодного тока
1.5. Нагрузочные характеристики лампового генератора
1.6. Эквивалентная схема генератора
1.6.1. Работа генератора на настроенную нагрузку в недонапряженном и критическом режимах
1.6.2. Работа генератора на расстроенную нагрузку в недонапряженном и перенапряженном режимах
1.7. Зависимости режима лампового генератора от питающих напряжений
1.7.1. Зависимость режима лампового генератора от амплитуды напряжения возбуждения Ugm
1.7.2. Зависимость режима лампового генератора от напряжения смещения на управляющей сетке
1.7.3. Зависимость режима лампового генератора от напряжения источника анодного питания Ea
1.8. Генератор с независимым возбуждением на транзисторе
1.9. Высшие гармоники в цепях генераторов
1.10. Совместная работа ламп в генераторе
1.10.1. Параллельное соединение ламп
1.10.2. Последовательное соединение ламп (двухтактная схема)
1.11. Схема с заземленной сеткой
1.12. Методы получения больших мощностей
1.12.1. Сложение мощностей системы блоков в общем контуре
1.13. Ключевые режимы работы ГВВ
1.13.1. Ключевые транзисторные генераторы с резистивной нагрузкой
1.13.2. Ключевые транзисторные генераторы с формирующим контуром
1.14. Колебательные цепи передатчиков
1.15. Методика расчета ламповых генераторов с независимым возбуждением в критическом режиме
Основные понятия, определения и условные обозначения
Радиопередающее устройство (РПдУ) предназначено для создания радиосигнала заданных частоты и мощности. В сочетании с антенной служит для передачи радиосигналов в системах радиосвязи, радиовещания и др. Основными элементами РПдУ являются генераторы высокочастотных колебаний и модуляторы, осуществляющие управление параметрами этих колебаний в соответствии с передаваемой информацией.
Радиосигнал – колебания радиочастоты, один или несколько параметров которых изменяются в соответствии с передаваемым сигналом иформации.
Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров радиочастотных колебаний (или параметров импульсов при импульсной работе) в соответствии с передаваемым сигналом информации. Модуляция – нелинейный процесс, в результате которого низкочастотный спектр информации переносят в диапазон высоких частот при сохранении содержащейся в сигнале информации. При амплитудной модуляции по закону модулирующего сигнала изменяют амплитуду колебаний высокой частоты, при частотной модуляции — их частоту, при фазовой – фазу.
Генератор высокой частоты – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты.
Высокочастотный генератор с независимым (внешним) возбуждением может быть использован в качестве усилителя мощности, умножителя и др. В его входной цепи действует другой, менее мощный генератор – возбудитель, обеспечивающий требуемое внешнее управляющее напряжение (возбуждение). Генераторы высокой частоты находят широкое применение в передатчиках радиосвязи, радиовещания, радиолокации, гидроакустики, телевидения и других областях радиотехники.
Генератор с самовозбуждением (автогенератор) – автономная электрическая система, предназначенная для получения устойчивых высокочастотных колебаний без воздействия внешнего возбуждающего напряжения. В РПдУ применяют автогенераторы гармонических колебаний. Частота автоколебаний и ее стабильность зависят только от собственных характеристик автогенератора, таких, как структура его схемы, параметры колебательной системы и электронный режим лампы, от питающих лампу напряжений и др. В высокочастотном тракте РПдУ автогенератор — это всегда первый каскад, входящий в состав возбудителя.
Электронный режим работы генератора характеризует токораспределение в лампе. Различают следующие режимы:
- буферный — без тока управляющей сетки;
- недонапряженный — сеточные токи малы по сравнению с анодным током;
- слабо и сильно перенапряженные, когда сеточные токи велики (в первом случае за счет сеточных токов анодный ток не доходит до нуля, во втором – в отдельные моменты времени он становится равным нулю);
- критический (или граничный) — режим между недонаряженным и перенапряженным.
При режиме колебаний первого рода (или класса А) исходная рабочая точка и напряжение возбуждения таковы, что при работе генератора напряжение на управляющей сетке не выходит за пределы прямолинейного участка характеристики лампы. В этом случае форма анодного тока повторяет форму напряжения возбуждения. Колебания первого рода используют в маломощных каскадах высокочастотного тракта РПдУ.
При режиме колебаний второго рода рабочая точка выбрана так, что анодный ток имеет форму импульсов, которые существуют в течение части периода напряжения возбуждения.
В режиме класса В продолжительность импульса анодного тока равна половине периода напряжения возбуждения.
В режиме класса Спродолжительность импульсов анодного тока меньше половины периода напряжения возбуждения.
В режиме колебаний класса D, который называют «ключевым», анодный ток имеет форму прямоугольных импульсов.
Модулятор предназначен для усиления сигнала информации до уровня, требуемого для управления одним из параметров высокочастотны колебаний. Модуляции может осуществляться как на высоком энергетическом уровне — в оконечном, или в предоконечном каскадах (или в обоих одновременно), так и на низком — в одном из каскадов возбудителя.
Выходная колебательная система — предназначена для согласования оконечного каскада высокочастотного тракта передатчика с нагрузкой — входным сопротивлением антенно-фидерного тракта, оперативной волновой перестройки в рабочем диапазоне и требуемой фильтрации высших гармоник рабочей частоты.
Согласование генератора с нагрузкой — обеспечение требуемой величины активного эквивалентного сопротивления нагрузки генераторной лампы, Rэ, при всех возможных значениях входного сопротивления антенного фидера, которое зависит от его волнового сопротивления и коэффициента бегущей волны (КБВ)
Условные обозначения.
АИМ — амплитудно-импульсная модуляция, при которой модулированы
по амплитуде высокочастотные колебания внутри импульса.
АМ — амплитудная модуляция.
АПЧ — автоматическая подстройка частоты.
АРР — автоматическое регулирование режима генератора.
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
АЭ — активный элемент схемы генератора (электронная лампа, транзистор и т.п.)
ВКС — выходная колебательная система
ВЧ — высокие частоты
ВЧ-тракт — высокочастотный тракт передатчика
ВЧИМ — высокочастотная импульсная модуляция (внутри импульса).
ГВВ — генератор с внешним (независимым) возбуждением.
ДВ — длинные волны — километровые (30 — 300) кГц
ДИМ — импульсная модуляция по длительности
ДУН — динамическое управление уровнем несущей частоты при амплитудной модуляции.
ИКМ — импульсно-кодовая модуляция.
КБВ — коэффициент бегущей волны в антенном фидере.
КВ — короткие волны — декаметровые ( 3-30) МГц
КГ – ключевой генератор
КПД — коэффициент полезного действия.
КУМ — ключевые усилители мощности
НЧ — низкие (звуковые) частоты
ОК — общий — заземленный — катод.
ОМ — однополосная модуляция.
ОС — общая — заземленная — сетка
ОЭ — общий — заземленный — эмиттер
ПАМ — паразитная амплитудная модуляция
РПдУ — радиопередающие устройства
РПС — радиопередающая станция
СВ — средние волны — гектометровые (0,3-1,5) МГц
СВЧ — сантиметровые волны (3 -30) ГГц
УМК — усилитель модулированных колебаний
УПЧ — усилитель промежуточной частоты
ФВЧ — фильтр верхних частот
ФИМ — импульсно-фазовая модуляция
ФМ — фазовая модуляция.
ФНЧ — фильтр нижних частот
ЧИМ — импульсно-частотная модуляция.
ЧМ — частотная модуляция.
УБВ — усилитель бегущей волны
УРУ — усилитель с распределенным усилением (то же, что УБВ)
ШИМ — широтно-импульсная модуляция (то же, что ДИМ)
ШПУ — широкополосный усилитель
Ламповые генераторы находят широкое применение в передатчиках радиосвязи, радиолокации, гидроакустики, телевидения и других областей радиотехники. Изложение теории ламповых генераторов целесообразно начинать с рассмотрения основных физических процессов и методов инженерного расчета ламповых генераторов с независимым возбуждением, где они более наглядны.
Полученные результаты могут быть использованы и при изучении ламповых генераторов с самовозбуждением.
1.1. Принцип действия генератора с независимым возбуждением
Принцип действия генератора с независимым возбуждением можно изложить на примере одной из простейших схем лампового генератора, показанной на рис.1.1.
Рис.1.1.
Основными элементами генератора являются электронная лампа, колебательный контур и источники питания. Сеточная цепь генераторной лампы имеет источник постоянного напряжения сеточного смещения Eg (обычно отрицательного) и связана с внешним, независимым от генератора, источником возбуждения 
. Анодная цепь содержит параллельный колебательный контур и источник постоянного анодного напряжения Ea. Параллельный колебательный контур генератора с учетом вносимого сопротивления от нагрузочных устройств, как правило, настроен на частоту напряжения возбуждения и представляет для этой частоты эквивалентное активное сопротивление RЭ. Рассмотрим работу этого генератора, полагая вначале, что лампа работает в режиме колебаний первого рода, то есть на линейном участке ее вольтамперной характеристики. Мгновенное значение напряжения на управляющей сетке лампы равно (между сеткой и катодом):
, (1.1)
, (1.1) |
где Ug амплитуда напряжения возбуждения , w – круговая частота напряжения возбуждения. При анализе будем предполагать, что колебательный контур генератора настроен в резонанс с частотой напряжения возбуждения. В этом случае первая гармоника анодного тока 
и напряжение на контуре 
изменяются синфазно с напряжением возбуждения , что изображено на рис.1.2, где Ia1 – амплитуда первой гармоники анодного тока, Uк – амплитуда напряжения на контуре. Может показаться, что напряжения и также синфазны. На самом деле они противофазны, поскольку фазы этих напряжений отсчитываются от одной общей точки схемы, которой является катод, имеющий нулевой потенциал.
Согласно второму закону Кирхгофа мгновенное значение напряжения на аноде лампы (между анодом и катодом) равно разности между постоянным анодным напряжением и падением напряжения на контуре, а именно:
, (1.2)
где Еа– постоянное анодное напряжение. Используя рис.1.2 можно уяснить процесс преобразования энергии в ламповом генераторе. Электроны, пролетая пространство катод – анод лампы, взаимодействуют с постоянным и переменным электрическими полями анодного напряжения 
. При этом любой электрон, пролетая от катода к аноду, ускоренный напряжением источника Еа, получает от постоянного поля энергию, равную e·Ea, где е — заряд электрона. Эта энергия при столкновении электрона с анодом полностью выделилась бы в виде тепла, если бы на аноде отсутствовало переменное напряжение 
=Uкcosωt. Переменное поле анода по-разному действует на электроны, проходящие через лампу в разные полупериоды переменного напряжения на ее сетке. В положительный полупериод этого напряжения переменное поле анода направлено противоположно постоянному полю и тормозит движение электронов на участке сетка — анод. Поэтому в положительный полупериод переменного напряжения на сетке лампы электроны отдают переменному полю анода, т.е. колебательному контуру, энергию е· , которая является частью энергии, полученной ими от постоянного поля. Таким образом, в положительный полупериод напряжения на сетке в бесполезное тепло превращается меньшая часть энергии, полученной от постоянного поля. В отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке лампы переменное поле анода направлено в одну сторону с постоянным полем и ускоряет движение электронов между сеткой и анодом. Поэтому в отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке лампы электроны отбирают от переменного поля часть его энергии, равную е , и при столкновении с анодом отдают в виде тепла. Следовательно, для эффективной работы лампы необходимо, во-первых, чтобы, электроны проходили через лампу только в течение положительного напряжения на сетке и, еще лучше, лишь в течение той его части, где величина близка к амплитудному значению Uк; во-вторых, чтобы амплитуда Uк была как можно больше.
Так как анодный ток лампы, который пропорционален количеству электронов, в положительный полупериод переменного напряжения на ее сетке больше, чем в отрицательный, то в целом за период высокой частоты электроны отдают переменному высокочастотному полю анода больше энергии, чем отбирают от него, осуществляя тем самым преобразование энергии источника постоянного анодного напряжения в энергию колебаний высокой частоты.
Отношение колебательной мощности генератора к мощности, потребляемой от источника постоянного анодного напряжения, называется электронным КПД генератора. Из приведенных выше рассуждений очевидно, что высокий электронный КПД может быть получен только в режиме колебаний второго рода, когда анодный ток не протекает в отрицательный полупериод переменного напряжения на сетке лампы, и электроны не отбирают энергии колебаний высокой частоты, что повышает электронный КПД. С уменьшением длительности импульса анодного тока электронный КПД генератора возрастает. Электронный КПД и колебательная мощность, отдаваемая лампой в нагрузку, являются основными энергетическими показателями генератора. Их значения определяются параметрами лампы и контура, а также электронным режимом генераторной лампы, который зависит от питающих её напряжений и от величины и характера её нагрузки.
1.2. Электронные режимы генераторной лампы
Электронные режимы характеризуют токораспределение в лампе, которое зависит от соотношения между остаточными напряжениями на её электродах, в триоде — между остаточными напряжениями на аноде eamin= Ea — Uк и на управляющей сетке egmax=Eg+Ugm . Различают следующие электронные режимы.
Буферный режим — режим без токов управляющей сетки. Здесь всегда величина остаточного напряжения на сетке egmax<0. Энергетически этот режим невыгоден, поскольку лампа недоиспользуется по току. Однако, в буферном режиме входное сопротивление лампы очень велико, поэтому влиянием режима буферного каскада на предыдущий каскад можно пренебречь.
Недонапряженным называют режим, при котором ток управляющей сетки не превышает 10 -20 % анодного тока. При этом анодный ток практически равен суммарному (катодному) току is и представляет собой импульсы, близкие по форме к отрезкам косинусоиды.
Перенапряженным режимом называют режим с большими сеточными токами, из-за которых в импульсе анодного тока появляется провал. Если глубина провала не превышает половины максимального значения импульса суммарного тока, то режим считают слабо перенапряженным, а если импульс анодного тока раздваивается, режим называют сильно перенапряженным.
Режим между недонапряженным и перенапряженным называют граничным, или критическим режимом. Принято считать, что в этом режиме сеточный ток у триодов равен 15-20% анодного тока.
1.3. Квазилинейная теория ламповых генераторов
При выборе электронного режима генераторной лампы стремятся от неё получить необходимую величину колебательной мощности при высоком электронном КПД. Энергетические показатели генератора зависят от первой гармоники и постоянной составляющей импульса анодного тока, которые могут быть определены если известен импульс анодного тока при заданных напряжениях, действующих на электродах лампы. Эта задача может быть решена, если известны зависимости анодного тока от параметров лампы и от приложенных к ней напряжений. Однако, анодный ток в лампе выражается сложной функцией этих напряжений 
. Эта функция не имеет точного аналитического выражения, поэтому расчет электронного режима генератора можно выполнить либо при графическом представлении реальных вольтамперных статических характеристик лампы, либо аналитическим методом при определенной идеализации реальных характеристик.
Графический метод расчета генератора является весьма трудоемким, так как при этом приходится рассчитывать не один, а целую серию режимов генераторной лампы при различных нагрузках, а затем уже определить наиболее благоприятный режим.
При аналитическом методе расчета идеализируют реальные статические характеристики лампы, находят выражение для анодного тока и вычисляют его гармонические составляющие. Наибольшее распространение получила квазилинейная теория лампового генератора, созданная А.И. Бергом. Её сущность заключается в следующем.
1. Предполагается, что добротность нагруженного анодного контура достаточно высокая (Qн>>1) и можно считать, что при действии на сетке лампы напряжения
на анодном контуре генератора, настроенном в резонанс на рабочую частоту w, имеет место падение напряжения только частоты w. При этом напряжение на аноде лампы равно:
Тогда анодный ток является функцией:
2. Криволинейные участки реальных характеристик лампы заменяют отрезками прямых (ломаных) линий, которые хорошо с ними совмещаются.
3. Статические параметры лампы, крутизну S и внутреннее сопротивление Ri, заменяют средними за период высокой частоты параметрами, зависящими от положения рабочей точки лампы, её электронного режима и характера нагрузки.
Благодаря кусочно-линейной аппроксимации статических характеристик лампы, процессы, происходящие в генераторе, описываются простыми линейными уравнениями и, главное — при косинусоидальной форме напряжения возбуждения в цепи управляющей сетки анодный ток представляет собой периодическую последовательность импульсов также косинусоидальной формы, что позволяет использовать для определения их гармонических составляющих разложение в ряд Фурье, согласно которому любая гармоника такого импульса определяется простой формулой:
In= an imax , … (1.3)
где an — коэффициенты разложения периодической последовательности остроконечных косинусоидальных импульсов, которые табулированы. Таким образом, для расчёта гармонических составляющих импульса достаточно вычислить его угол отсечки q и максимальное значение imax.
Можно показать, что при линейной аппроксимации характеристик лампы суммарный ток описывается выражением:
is = S(eg– Eg0 + Dea) , …(1.4)
где eg и eа описываются выражениями (1.1) и (1.2), D-проницаемость и S- крутизна лампы — статические параметры лампы (как известно, SDRi=1, где Ri — внутреннее сопротивление лампы), a Eg0 — напряжение сеточного приведения, при котором в системе координат (is,eg) идеализированная характеристика суммарного тока, соответствующая анодному напряжению Еа=0, пересекает ось абсцисс. Из (1.4) следует, что суммарный ток практически не зависит от анодного напряжения, поскольку проницаемость D ламп очень мала: у триодов она порядка 10-2 , а у экранированных ламп — порядка 10-3. При работе генератора в недонапряженном и критическом режимах можно считать, что анодный ток равен суммарному. Тогда, подставляя в (1.4) выражения (1.1) и (1.2) для eg и eа и производя несложные преобразования, получим формулы для максимального значения импульса анодного тока iamax и косинуса его угла отсечки q:
iamax=S(1-cosq)(Ug-DUк) , … (1.5)
cosq = , … (1.6)
где Uк = Ia1Rэ – напряжение на анодном контуре, Rэ – его эквивалентное сопротивление. Формулы (1.5) и (1.6) можно представить также в виде:
iamax=SUупр(1-cosq), … (1.5′)
cosq = — 
, … (1.6′)
где Eg‘ = Eg0-DEa — напряжение запирания, при котором угол отсечки q=900, а Uупр носит название управляющего напряжения суммарного тока, с ним всегда совпадает по фазе первая гармоника суммарного тока, а в недонапряженном режиме, когда сеточным током можно пренебречь — первая гармоника анодного тока. (Методика определения статических параметров лампы S и D, напряжения сеточного приведения Eg0, а также напряжения запирания E’g , изложена в Приложении 2).
1.4. Выбор угла отсечки анодного тока
На рис. 1.3 приведены коэффициенты разложения остроконечного косинусоидального импульса в зависимости от угла отсечки q. Колебательная мощность, отдаваемая лампой, равна P~ =0,5Uк Iа1= 0,5Uкa1ia max, подводимая мощность P0 =Еa I a0= E aa0ia max , электронный КПД h = P~ / Р0, или:
h = 0,5 , …(1.7)
а мощность рассеяния на аноде лампы Ра =Р0 — Р~ =Р0(1- h). Как видно из графиков рис.1.3, максимальная мощность имеет место при q = 1200 , однако при этом невелико отношение a1/ a0 , то есть низок КПД. Это отношение с ростом угла отсечки уменьшается, что подтверждает выводы, сделанные в п.1.1. Очевидно, что угол отсечки должен быть выбран так, чтобы и коэффициент a 1 был достаточно большим, а отношение a1/ a0 — не очень малым. При уменьшении угла отсечки q до 900 колебательная мощность уменьшается на 7%, на 18% возрастает КПД и в 1,8 раза снижается мощность рассеяния на аноде. Из графиков также видно, что при q = 900 в косинусоидальном импульсе анодного тока отсутствуют нечетные гармоники, что весьма благоприятно. При q < 900 КПД увеличивается незначительно, а колебательная мощность и коэффициент усиления по мощности падает. Оптимальным углом отсечки следует считать
q = 900 , использование q < 750 не рекомендуется.
1.5. Нагрузочные характеристики лампового генератора
Нагрузочные характеристики представляют собой зависимости анодного тока, амплитуды напряжения на контуре, мощностей и электронного КПД генератора от эквивалентного сопротивления Rэ нагруженного контура в анодной цепи при неизменных напряжениях Еa , E и Ugm. Для анализа зависимости первой гармоники анодного тока Ia1 от Rэ используют характеристику зависимости суммарного тока от напряжения на аноде is=f(ea) при сеточном напряжении еg, равном остаточному напряжению на сетке, которое определяется заданными значениями напряжений Eg и Ugm: еg = egmax = Eg + Ugmax. В недонапряженном режиме, вплоть до критического, сеточным током можно пренебречь (в критическом режиме он не превышает 15-20% анодного тока) и принять анодный ток равным суммарному току, при этом первая гармоника анодного тока равна:
Ia1 = a1iamax, где a1 — коэффициент приведения, зависящий от угла отсечки анодного тока q. 
Рис.1.4
 |
, где Uк=Ia1Rэ — напряжение на контуре. Поскольку проницаемость лампы D мала, то можно считать, что угол отсечки q в недонапряженном режиме от величины Rэ не зависит. Абсцисса, которой соответствует значение iamax в недонапряженном режиме, равна остаточному напряжению на аноде eamin= Ea — Uк = Ea — Ia1Rэ. С увеличением Rэ значение Uк растет, а eamin уменьшается. При этом, как видно из рис.1.4, величина импульса анодного тока iamax меняется незначительно, поскольку из-за малой проницаемости D наклон характеристики is=f(ea) очень мал. Таким образом, в недонапряженном режиме первая гармоника анодного тока практически не зависит от величины сопротивления нагрузки.