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.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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).

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru 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.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru (7.7)

Наконец, при Ек Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru 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 Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru ток Iа1 Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru .

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 АЭэтот 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.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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 АЭпри 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.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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 UΩ=mEкТ (см. рисунок 7.8)

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

Рисунок 7.8 – Коллекторная модуляция

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

РΩ=0,5·IΩ·UΩ=0,5m2Iк0Т ·EкТ = 0,5m2·Р0Т (7.10)

При m=1, РΩ=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 UΩ . 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)

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru (7.11)

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru (7.12)

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

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru (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 + РΩ.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

Рисунок 7.10 – Волновая диаграмма коллекторной модуляции

транзисторного генератора

Ориентировочно напряжение источника питания Ек= ЕкТ выбирается следующим образом

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru (7.14)

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

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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 ).

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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.

Коллекторная амплитудная модуляция - student2.ru

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.

Наши рекомендации