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 ΔY , получим

(6.3)

Мнимая часть этой проводимости Δb имеет ёмкостный характер и соответственно увеличивает входную ёмкость АЭ. Действительная часть проводимости Δg согласно (6.3) может быть положительной или отрицательной в зависимости от знака расстройки х. Положительной проводимости Δg 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 | Δg |.

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

Решая это выражение, получим, что экстремальные значения Δg соот-ветствуют х = ± 1. Таким образом, самовозбуждение генератора наиболее вероятно, когда х = - 1 , аΔgмин = -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 > Δgмин = -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 Δg имеет отрицательное значение при х =+1; вероятная частота самовозбуждения

и Δgмин= -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].