6. 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.

6.1. 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 L_у и ёмкость С_уи входят в состав входной согласующей цепи и на степень обратной связи практически не влияют. Аналогично L_к и С_ки войдут в состав нагрузочной цепи Z_н. Обратная связь возникнет через ёмкость С_ук за счёт наведённого выходным напряжением тока i_ос , а также вследствие появления во входной цепи напряжения и_ос, наведённого током истока i_и на индуктивности L_и. Очевидно, что в схеме с ( ОУ ), элементами образующими цепи обратной связи будут С_ки и L_у .

Рисунок 6.1. Схемы включения активного элемента

Таким образом, обратная связь в усилителе мощности возникает за счёт проходной ёмкости (С_ук, С_ки) и индуктивности общего, для входной и выходной цепей, вывода (L_и, L_у) . 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 С_ук определится следующим выражением:

(6.1)

Здесь - комплексный коэффициент усиления по напряжению. Полагая, что генератор работает в критическом или ННР, получим и, следовательно, .

При расстройке нагрузочного контура .

В этом выражении R_к – резонансное сопротивление контура; х – обобщенная расстройка

(6.2)

Подставляя значение в (6.1), можно определить составляющую входной проводимости, обусловленную током обратной связи

Здесь К_о = S_ср·R_к - 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 , а Δg_мин = -ωС_ук ·К_о/2. Частота, на которой возможно самовозбуждение может быть определена из (6.2) при х = - 1.

Условие устойчивости генератора к самовозбуждению принимает вид

g_вх > Δg_мин = -ωС_ук ·К_о/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 (К_о) и по мощности (К_рои) .

(6.5)

Определим g_вх 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 С_ки. 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 .

Условие устойчивости приобретает вид (6.7)

Определим величину входной проводимости g_вх, полагая, что 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, С_ик<< С_ук, 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 ( ) .

Наиболее простой способ устранения самовозбуждения заключается в искусственном понижении коэффициента усиления по мощности путём добавления во входную цепь внешней положительной проводимости, которая совместно с g_вх 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

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].

6.2. Паразитные колебания в генераторе с внешним возбуждением

Из материала предшествующего раздела следует, что для устранения самовозбуждения на частоте близкой к рабочей существуют достаточно эффективные средства. Однако эти средства не исключают вероятность самовозбуждения на частотах значительно отличающихся от рабочей. Более того, включение в схему элементов нейтрализации может способствовать возникновению самовозбуждения, определённому ранее как «паразитные колебания».

Появление паразитных колебаний связано главным образом с очень сложной колебательной системой, образуемой паразитными индуктивностями проводников, выводов элементов схемы, а также паразитными емкостями между элементами и их ёмкостями относительно «земли». Как правило, паразитные индуктивности и ёмкости слабо связаны с нагрузочными цепями генератора и поэтому имеют высокую добротность, что способствует выполнению условий самовозбуждения.

Исследовать все возможные варианты возникновения паразитных

колебаний задача совершенно не реальная. Однако есть наиболее характерные и часто встречающиеся случаи, которые целесообразно рассмотреть.

Практика эксплуатации радиопередающих устройств показала, что паразитные колебания очень часто возникают в мощных генераторах при параллельном, или двухтактном включении генераторных ламп.

Рассмотрим первый пример, соответствующий параллельному соединению ламп (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4а иллюстрирует схему паразитной колебательной системы, образованной междуэлектродными ёмкостями ламп и индуктивностями соединительных шин. Три индуктивности на этом рисунке соединены звездой. Если пересчитать их в соединение треугольником, получим эквивалентную схему трёхконтурного автогенератора (рисунок 6.4в).

Рисунок 6.4. Эквивалентные схемы паразитных колебаний при параллельном включении ламп

Паразитные колебания в такой схеме возникают по двухтактному варианту. При этом точки схемы, лежащие на оси симметрии , эквипотенциальны, и их можно соединить, как показано на рисунке 6.4б.

Если контуры, образованные индуктивностями L2 и L3, на некоторой частоте обладают индуктивной реакцией, а контур с L1 – ёмкостной, то в схеме такого автогенератора будут выполнены условия баланса фаз. При высокой добротности контуров вероятность выполнения баланса амплитуд также достаточно велика. Автоколебания возникнут на частоте значительно превышающей рабочую, т.к. паразитные индуктивности и ёмкости схемы достаточно малы. Аналогичные условия могут возникнуть и в случае, когда контуры с L2 и L3 обладают ёмкостной реакцией, а контур с L1- индуктивной.

Для борьбы с паразитными колебаниями такого вида, в соединительные шины генератора включаются антипаразитные LR- цепочки, как показано на рисунке 6.5а.

Индуктивность L обычно содержит два - три витка, или даже представляет собой отрезок шины, закорачивающий резистор R (см. рисунок 6.5б).

Рисунок 6.5. Антипаразитные цепи

Принцип действия антипаразитных цепей заключается в следующем. Токи рабочей частоты генератора протекают по индуктивности, сопротивление которой для них ничтожно мало. Поэтому резистор R не оказывает никакого влияния на работу генератора. На частоте паразитных колебаний L представляет собой значительное сопротивление, и для токов этой частоты остаётся только путь через резистор R. В результате, в паразитный контур вносится значительное затухание, нарушающее баланс амплитуд, и паразитные колебания не возникают.

Другой характерный пример возникновения паразитных колебаний связан с самовозбуждением двухтактного усилителя мощности по однотактной схеме. Для выяснения такой возможности, воспользуемся более полной схемой двухтактного ГВВ, представленной на рисунке 6.6а.

Рисунок 6.6. Возбуждение паразитных колебаний в двухтактной схеме

При возбуждении однотактных колебаний в двухтактной схеме, все точки схемы симметрично расположенные относительно оси - эквипотенциальны. Поэтому, для таких колебаний схема может быть сложена по оси , как показано на рисунке 6.6б. Если два контура, образовавшихся на входе и выходе, обладают индуктивной реакцией на частоте вероятного самовозбуждения, то в эквивалентной схеме выполняется условие баланса фаз, а при достаточной добротности контуров выполнится и условие баланса амплитуд. Схема превращается в автогенератор, частота колебаний которого будет значительно ниже рабочей, т.к. емкость эквивалентного контура С = 2(С_ас + 2CN)=4 С_ас, а индуктивности в основном определяются большими индуктивностями блокировочных дросселей (L_бл) в цепях питания генератора. Как видно из эквивалентной схемы, нейтродинные конденсаторы в этом случае вдвое увеличивают проходную ёмкость и ток обратной связи, облегчая тем самым возникновение паразитных колебаний.

Чтобы не допустить паразитные колебания этого вида, приходится увеличивать потери в блокировочных дросселях. С этой целью их шунтируют резисторами R, либо их обмотки выполняют из проводников с большими потерями на высокой частоте (из железа или стали).

Самовозбуждение и паразитные колебания рассмотренных типов имеют место и в транзисторных генераторах; аналогичны и методы борьбы с ними.

Не удаётся применить только схемы нейтрализации, поскольку междуэлектродные ёмкости транзисторов существенно зависят от приложенного напряжения и сохранить баланс нейтродинного моста при меняющемся уровне сигнала практически не возможно.

Зависимость междуэлектродных ёмкостей от приложенного напряжения приводит также к специфическим для транзисторных генераторов «параметрическим» паразитным колебаниям. Такие колебания возникают на субгармониках частоты возбуждения. Подробнее об условиях возникновения параметрических колебаний можно познакомиться в [4].