Файл: 1 Классификация и физический механизм работы вч и свч генераторов.docx

Выходная колебательная мощность генератора определяется произведением эффективных значений тока первой гармоники и переменного коллекторного напряжения

Р1 = (3.23)

Поскольку U_к = I_к1·R_к , колебательную мощность можно определить и следующими выражениями

Р1 = 0,5·I_к1²· R_к = 0,5·U_к²/ R_к

 

Мощность, которую генератор потребляет от источника питания определяется постоянной составляющей коллекторного тока

 

Pо = E_к·I_ко (3.24)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе АЭв виде тепла, определяется разностью потребляемой и колебательной мощностей

Рк = Ро – Р1 (3.25)

В нормальных условиях работы ГВВмощность Р_к должна быть меньше Р_кдоп- допустимой мощности потерь в активном элементе, указываемой в справочных данных АЭ.

Коэффициент полезного действия генератора (электронный к.п.д.) определяется отношением

(3.26)

С учетом (3.23), (3.24) и (3.26), электронный к.п.д. может быть определен и следующими выражениями

(3.27)

(3.28)

 

Электронный к.п.д. показывает, какая часть потребляемой мощности преобразуется генератором в колебательную мощность. Согласно (3.27), к.п.д. зависит от коэффициента использования коллекторного напряжения ξи от выбора угла отсечки ( γ = a₁/a₀ - коэффициент формы импульса, который зависит только от угла отсечки).

В зависимости от назначения и условий эксплуатации генератора он может работать в различных режимах по напряженности, поэтому необходимо определить пограничные условия перехода из ННР в ПНР и наоборот. Иначе говоря, следует определить хотя бы один параметр, характеризующий критический режим. Наиболее удобно для этого применить критический коэффициент использования коллекторного напряжения x_кр . Тогда, для перевода ГВВ из одного режима по напряженности в другой, достаточно выбрать x < x_кр , или x > x_кр. В частности, как следует из определения напряженности режима,

---

x < x_кр соответствует ННР, а x > x_кр - ПНР.

Поскольку расчет генератора чаще всего ведут на заданную колебательную мощность Р1,в выражение для x_кр должны войти величина мощности, напряжение источника коллекторного питания Е_к, определяющее величину x, угол отсечки коллекторного тока, от которого зависит эффективность (к.п.д.) генератора и параметры активного элемента.

 

По определению

(3.29)

Здесь Uккр- амплитуда коллекторного напряжения в критическом режиме (см. рис.3.12).



Рисунок 3.12 – Динамическая характеристика коллекторного тока

в критическом режиме

 

Поскольку Р1 определяется током коллектора, выразимекмин через импульс тока iкмакс

iкмакс = екмин×tga = Sкр×екмин

где tga = Sкр;cоответственно екмин = iкмакс/ Sкр.

Для расчета на заданную мощность Р1 необходимо найти взаимосвязь Р1 и iкмакс

Р1 = 0,5×Iк1×Uккр = 0,5×iкмакс×a₁×Uккр = 0,5×iкмакс×a₁×x_кр ×Е_к

Таким образом

(3.30)

(3.31)

Вернемся к исходному выражению (3.29) для ξкр, подставив в него значение екмин

(3.32)

Таким образом получена искомая связь ξкрс мощностью Р1, параметром активного элемента (Sкр) и выбранным режимом (Ек, θ).

Поскольку Sкр ≠ 0, обе части (3.32) можно умножить на ξкр и привести (3.32) к квадратному алгебраическому уравнению с одним неизвестным ξкр.

(3.33)

Решение уравнения (3.33) имеет вид

(3.34)

Таким образом, при заданных исходных параметрах режима и активного элемента имеется два положительных значения ξкр,

---

обеспечивающих необходимую колебательную мощность.

При использовании АЭ на номинальную (паспортную) мощность Р1N (или меньше Р1N ), второе слагаемое под корнем в (3.34) значительно меньше 0,25. Поэтому одно значение ξкр 1, а другое (для знака “-“) ξкр 0.

Учитывая прямо пропорциональную зависимость к.п.д. генератора от ξ, можно сделать вывод, что в режиме с ξкр 0, получить высокую эффективность преобразования энергии не удастся. В связи с этим в расчетной формуле для ξкр оставляют перед корнем только знак “+”.

У генераторных тетродов ток управляющей (первой) сетки в номинальном режиме обычно отсутствует. Однако при максимальном использовании по мощности и в форсированном режиме, потери на управляющей сетке могут быть близки к предельно допустимым и становятся ограничивающим фактором использования лампы.

Типичное семейство статических характеристик тока управляющей сетки представлено на рисунке 3.13.



Рисунок 3.13 – Динамическая характеристика сеточного тока

 

Согласно рисунку 3.5 увеличению напряжения на сетке (ес) соответствует уменьшение анодного напряжения (еа). В свою очередь сеточный ток увеличивается при снижении еа.В результате динамическая характеристика сеточного тока имеет крутизну больше чем крутизна статических и существенно нелинейна (жирная кривая на рисунке 3.13). Поэтому импульс реального сеточного тока имеет форму существенно отличающуюся от косинусоидальной. Косинусоидальный импульс, построенный по линейной динамической характеристике, показан на рисунке 3.13 пунктирной линией.

Угол отсечки сеточного тока определяется выражением

(3.35)

Импульс сеточного тока (icмакс)определяется по координатам

ес макс =Ec+Uc

еа мин = Еа+Ua

Для этого могут быть использованы и выходные статические характеристики (рисунок 3.14)



Рисунок 3.14 – К определению импульса сеточного тока

 

В справочниках на выходных статических характеристиках сеточный ток отсутствует за линией, соответствующей ес = еа,т.к. снять эту область невозможно из-за предельного теплового режима сетки. Поэтому приходится интерполировать характеристику в область за линией ес = еатак, как показано на рисунке 3.14.

---

Определив коэффициенты разложения косинусоидального импульса по углу θс (αос α1с), составляющие реального импульса найдем по формулам

Ico = icмакс· αос·кос (3.36)

Ic1 = icмакс· α1c·к1с (3.37)

кос, к1с- эмпирические коэффициенты, учитывающие, что реальный импульс имеет существенно меньшую площадь, чем косинусоидальный и, следовательно, меньше составляющие Ico, Ic1.

Опытным путем установлено, что коэффициенты кос, к1с мало зависят от типа генераторной лампы и ее режима. Их усредненные значения определены [3] и составляют

кос = 0,67; к1с = 0,75

Следует иметь в виду, что расчет режима управляющей сетки имеет смысл лишь при ес > 0, т.к. при ес ≤ 0тока управляющей сетки нет.

При ес > 0определяется мощность возбуждения

Рв = 0,5Uc· Ic1

Мощность потребляемая источником смещения

Рос = Ico·|Ec|

Мощность рассеиваемая на управляющей сетке

Рс = Рв – Рос(3.38)

На частотах выше 20 МГц необходимо учитывать дополнительный разогрев сетки емкостными составляющими входного и проходного тока [3], который может составлять до 25% от общей мощности тепловых потерь на сетке. Поэтому при проверке теплового режима сетки по формуле (3.38) необходимо иметь соответствующий запас по допустимой мощности потерь.

Рс ≤ 0,75 Рс доп (3.39)

Здесь Рс доп–допустимая мощность потерь на сетке, которая является справочным параметром лампы.

В тетроде есть еще экранирующая сетка, на которой при включении лампы по схеме с общим катодом (ОК) присутствует только постоянное напряжение Ес2(для этого сетка блокируется емкостью большой величины).

Динамическая характеристика тока экранирующей сетки подобна характеристики тока управляющей сетки (рисунок 3.15)



Рисунок 3.15 – К определению импульса тока экранирующей сетки

 

Поэтому для расчета режима экранирующей сетки можно воспользоваться выражениями подобными (3.36, 3.37)

Ic2o = ic2макс· αо2·кос

Ic11 = ic2макс· α12·к1с

Здесь αо2 и α12 - определяются по углу отсечки тока экранирующей сетки, который ориентировочно принимается равным

θ2 = (0,5 – 0,7)θ

где θ –угол отсечки анодного тока.

Расчет режима экранирующей сетки заключается в определении мощности тепловых потерь. В схеме с ОКвся мощность потребляемая от источника питания рассеивается на экранирующей сетке, поэтому

---

Рс2 = Ес2· Ic2o < Рс2доп

Рс2доп – допустимая мощность тепловых потерь, определяемая справочными данными лампы.

В схеме генератора с общими сетками (ОС) на экранирующей сетке присутствует напряжение возбуждения Uc, поэтому

Рс2 = Ес2· Ic2o + 0,5 Ic11· Uc < Рс2доп

На частотах выше 20 МГц следует учитывать дополнительный разогрев сетки емкостными токами аналогично (3.39).

Биполярном транзисторе

На рисунке 3.16 представлен упрощенный вариант эквивалентной схемы биполярного транзистора для активной области статических характеристик.

 



Рисунок 3.16 – Эквивалентная схема биполярного транзистора

 

Здесь СК – ёмкость коллекторного перехода; СБ,СД- барьерная и диффузионная ёмкости эмиттерно-базового перехода; LБ, LК, LЭ – индуктивности выводов; rБ, rЭ , rК - сопротивления кристалла и выводов соответствующих областей; ключ S-моделирует переход эмиттерно-базовой цепи из открытого в закрытое состояние; rβ – сопротивление рекомбинации; β– коэффициент усиления по току.

Из эквивалентной схемы следует, что биполярный транзистор (БПТ) управляется током, причем ток коллектора iкпропорционален току базы ( iБ )



(3.40)

Здесь βо- статический коэффициент усиления по току ( на частоте ω=0 );

- среднее время жизни неосновных носителей (время рекомбинации);

(3.41)



Графические зависимости |β|и φ представлены на рисунке 3.17.

 

Из (3.41) следует:

- - частота, на которой |β| уменьшается в раз;

- - частота, на которой

---