ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ С ПОЛУВЗВОДОМ № 1
ЗАНЯТИЕ №7. Усилитель мощности.
Учебные, методические, развивающие и воспитательные цели:
1. Изучить состав, характеристики, режимы работы и требования, предъявляемые к усилителям мощности радиосигналов.
2. Изучить назначение, принцип работы и требования, предъявляемые к согласующим устройствам передатчиков.
3. Проверить теоретические знания студентов.
Время: 2 часа.
Место занятия: учебная аудитория.
Вид занятия: практическое с полувзводом.
План занятия:
| № п/п | Учебные вопросы | Время, мин. | |
| ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ | |||
| ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ | |||
| Усилитель мощности и требования, предъявляемые к ним. Режим работы усилительных элементов. | |||
| Согласующее антенное устройство | |||
| Контрольная летучка по радиопередающему устройству | |||
| ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ |
Материально-техническое обеспечение:
1. Раздаточный материал.
2. Функциональная схема Р-130.
Литература:
1. К.Н. Попов и др. «Военная техника радиосвязи» М.Воениздат. 1982.С. 125-249.
2. В.Г. Левичев «Радиопередающие и радиоприемные устройства».
3. В.Г. Лепицкий «Принципы построения военных радиостанций». Л.ВАС. 1986.С.109-146.
Методические рекомендации преподавателю по проведению занятия
ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Принять доклад дежурного по взводу, проверить наличие личного состава и готовность к занятию. Объявить наименование и содержание изучаемой темы, ее значение в подготовке специалистов радиосвязи, порядок отчетности по теме. Объявить учебные цели, время и вид занятия.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Усилитель мощности и требования, предъявляемые к ним. Режим работы усилительных элементов.
При изложении материала занятия использовать методы «рассказ», «беседа». Обратить внимание на качественное вычерчивание схемы каскада усилителя мощности и на назначение элементов усилителя мощности (входная цепь, выходная цепь, нагрузка).
Рассмотрение данного вопроса разбить на 3 подвопроса:
1. Рассмотреть режим работы усилителя в классе А;
2. Рассмотреть режим работы усилителя в классе В;
3. Рассмотреть режим работы усилителя в классе С;
Использовать раздаточный материал.
Согласующее антенное устройство.
При изложении материала занятия использовать методы «рассказ», «показ» на конкретных типах радиостанций Р-130, Р-111, Р-161А-2М. Использовать раздаточный материал. Проконтролировать правильное вычерчивание схем САУ в конспектах.
Контрольная летучка по радиопередающему устройству.
Дать возможность повторить пройденный материал и подготовиться к проведению летучки. Раздать вопросы и проконтролировать их отработку.
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Подвести итоги занятия. Отметить активность работы взвода. Ответить на вопросы, возникшие в ходе занятия. Дать задание на самоподготовку.
Задание на самостоятельную подготовку:
Изучить состав, характеристики и режимы и работы и требования, предъявляемые к усилителям мощности. Изучить принцип работы согласующего устройства.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Принять рапорт дежурного по взводу. Проверить наличие студентов, готовность к занятию. Объявить тему и цель занятия.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
- Усилитель мощности и требования, предъявляемые к ним. Режим работы усилительных элементов.
Усилитель мощности является составной частью радиопередатчика. Он предназначен для усиления сигнала сформированного в возбудителе.
Мощность радиосигналов, сформированных в возбудителе, обычно измеряется единицами или десятками милливатт. Современные возбудители обычно обеспечивают амплитуду выходного напряжения Um возбудит = 0.8+1.2В на нагрузке RH = 75 Ом, что соответствует мощности:
Чтобы обеспечить необходимую мощность радиосигналов в антенне, измеряемую десятками и сотнями ватт, необходимо усилить колебания, сформированные в возбудителе. Эту задачу решает усилительный тракт радиопередатчика. Он состоит из нескольких соединенных последовательно каскадов усиления, любой из которых является усилителем мощности. Назначения и требования, предъявляемые к отдельным каскадам, могут быть различными в зависимости от их места в усилительном тракте. Последний каскад усилительного тракта, обеспечивающий необходимую мощность в антенне и определяющий энергетические показатели передатчика в целом, называется выходным или оконечным каскадом.
Каскады усиления мощности, включенные между возбудителем и выходным каскадом, принято называть промежуточным. Количество промежуточных каскадов зависит от мощности передатчика (РА), коэффициентов усиления по мощности КР; отдельных усилителей и мощности возбудителя; чем больше мощность передатчика, тем больше требуется каскадов усиления при прочих равных условиях.
Независимо от назначения и места включения усилительных каскадов к ним предъявляются следующие общие требования:
- обеспечение заданной мощности в нагрузке;
- линейность (не искаженность) усиления радиосигналов, сформированных в возбудителе;
- возможно более высокий КПД;
- подавление (фильтрация) побочных колебаний, возникающих в процессе усиления радиосигналов;
- простота и минимальное время настройки и перестройки каскадов с одной частоты на другую во всем диапазоне частоте передатчика.
В соответствии с перечисленными требованиями основными характеристиками усилителя мощности являются:
- мощность в нагрузке Рн;
- неравномерность мощности по диапазону DРн;
- коэффициент полезного действия h;
- коэффициент усиления по мощности КР;
- рабочий диапазон частот, который задаётся минимальной fmin и максимальной fmax частотами и коэффициентом перекрытия диапазона:
Kf = fmax/fmin.
- время перестройки с одной частоты на другую tn;
- линейность усиления, которая характеризуется линейностью амплитудной характеристики каскада или допустимым уровнем побочных (внутриполостных и внеполосных) колебаний, возникающих на выходе усилителя;
- фильтрация неосновных колебаний, которая может характеризоваться требуемой степенью подавления этих колебаний избирательными цепями на выходе усилителя.
В общем случае схема каскада усилителя мощности состоит из следующих элементов (рис 8.1).
РИС.8.1. Блок схема каскада усилителя мощности.
- входная цепь;
- усилительный элемент;
- выходная цепь - нагрузка.
Входная цепь, включаемая на входе усилительного элемента, обеспечивает согласование входа усилительного элемента с источником усиливаемых радиосигналов. В этом смысле входная цепь является нагрузкой для источника усиливаемых радиосигналов. Входная цепь обеспечивает наилучшие условия передачи энергии усиливаемых колебаний на вход усилительного элемента.
Усилительный элемент предназначен для преобразования энергии постоянного тока, подводимой от источника питания, в энергию высокочастотных колебаний, частота и форма которых определяются входным радиосигналом. В качестве усилительного элемента используются электронные лампы (триоды, тетроды, пентоды) или транзисторы, причем иногда в усилителях для получения большей мощности применяют параллельное или последовательное (двухтактное) включение однотипных усилительных элементов.
При работе на высоких частотах, а также при необходимости получения большой мощности колебаний чаще используются электронные лампы.
Для получения небольшой мощности передатчика (десятки ватт) в современных радиостанциях используются транзисторы, которые позволяют улучшить эксплуатационные показатели: повысить надежность, уменьшить габариты и вес, обеспечитъ практически мгновенную готовность передатчика к работе, повысить безопасность обслуживающего персонала. Недостатки транзисторов: сложная зависимость параметров транзисторов от частоты и режима работы, низкие входные и нагрузочные сопротивления транзисторов; ограниченные уровни выходной мощности, обеспечиваемые одиночными транзисторами; критичность гранзисторов к перегрузкам по току и напряжению; зависимость параметров транзисторов от температуры; большой разброс параметров транзисторов.
Выходная цепь, включаемая между усилительным элементом и нагрузкой выполняет две функции:
- во-первых, обеспечивает согласование нагрузки с усилительным элементом, т.е. преобразует в общем случае комшгексное сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн в активное сопротивление Rуэ , при котором усилительный элемент обеспечивает максимальную мощность высокочастотных колебаний на выходе;
- во-вторых, подавляет побочные колебания, если они возникают на выходе усилительного элемента.
Нагрузка усилительного каскада является потребителем энергии усиленных солебаний. При каскадном соединении нескольких усилителей нагрузкой данного усилителя является вход усилительного элемента следующего усилителя. Нагрузкой выходного (оконечного) каскада радиопередатчика является антенна совместно с согласующим антенным устройством.
В зависимости от ширины полос частот, в которой могут работать усилители без перестройки, и от требований к подавлению колебаний вне этой полосы различают усилители мощности резонансные и апериодические (широкополосные).
Резонансными называются усилители мощности, в которых выходная цепь представляет собой колебательный контур с большой добротностью, настроенный на частоту входного сигнала. Удобство применения колебательного контура в качестве выходной цепи обусловлено тем, что он обладает свойством выделять ток нужной частоты, подавляя (отфильтровывая) токи других частот. Это очень важно, гак как в выходной цепи может протекать ток сложной формы, содержащий широкий спектр частот.
Резонансные усилители используются в тех случаях, когда необходимо усилить колебания одной частоты или узкой полосы частот, подавляя при этом колебания других частот (побочные колебания).
К широкополосным (апериодическим) относятся усилители, в выходной цепи которых используются резисторы, колебательные контуры с низкой добротностью широкой полосой пропускания), коммутируемые фильтры и др. элементы. Отличительной особенностью таких усилителей является способность усиления колебаний в широкой полосе частот без перестройки выходной цепи. Это упрощает задачу автоматизации процесса смены частот и существенно повышает его техническую надёжность, однако отрицательно сказывается на решении проблемы электромагнитной совместимости, так как на выходе таких усилителей кроме колебаний основной частоты могут быть и колебания других частот (побочные колебания).
В зависимости от формы тока в выходной цепи усилителей различают различные классы работы усилительных элементов.
Класс А характеризуется протеканием в выходной цепи тока, полностью повторяющего форму входного (усиливаемого) сигнала.
РИС.8.2.
Для этого класса работы характерна линейность усиления сигналов, отсутствие побочных колебаний, однако к.п.д. усилителя низок (20 ¸ 30%), так как имеется большая постоянная составляющая выходного тока. Поэтому работа в классе А целесообразна в маломощных промежуточных каскадах, удельный вес которых в общем энергетическом балансе усилительного тракта незначителен.
При работе усилительного элемента в классе Б усиливаются только положительные полупериоды входных колебаний, а отрицательные отсекаются, поэтому ток на выходе усилительного элемента представляет собой импульсы длительностью равной полупериоду входного колебания (угол отсечки Q = 90°). Углом отсечки называется половина той части периода входного колебания, в течение которой в выходной цепи усилительного элемента протекает ток.
Рис.8.3.
Такая последовательность импульсов тока представляет собой сумму постоянной составляющей выходного тока, первой гармоники и чётных гармоник входного сигнала. Поэтому, если на выходе усилительного элемента включить избирательную систему, пропускающую только первую гармонику и подавляющую высшие гармоники, то на выходе такого каскада будут получены усиленные колебания с частотой равной частоте входного сигнала.
Постоянная составляющая выходного тока в классе В значительно меньше, чем в классе А, поэтому к.п.д. усилителя достаточно высок (от 70–80%). В связи с этим класс В применяется в мощных каскадах усилительного тракта, когда требуется линейность усиления и возможно больший к.п.д.
Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В (90°–180°) и характеризуется нелинейным усилением входных сигналов при меньшем по сравнению с классом В к.п.д.
При работе усилительного элемента в классе С с углом отсечки Q 90° можно достичь высокого к.п.д. . однако усиление тоже будет нелинейным. Таким образом, при усилении сигналов, у которых огибающая непрерывно изменяется во времени (ОМ, AM) используется работа усилительных элементов в классах А и В. при которых обеспечивается линейный режим работы усилителя. При усилении сигналов ЧТ, ЧМ и AT допускается использование работы усилительных элементов в классах АВ или С.