ЗАНЯТТЯ №5 ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ ТРАКТІВ РАДІОПЕРЕДАВАЧІВ.

ТЕМА № 1 : ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ВІЙСЬКОВИХ РАДІОСТАНЦІЙ.

1. Призначення підсилювальний трактів передавачів та вимоги до них

Потужність р/сигналів, сформованих у збуджувачі, звичайно вимірюється одиницями або десятками мВт. Щоб забезпечити потужність р/сигналів в антені ,виміряєму десятками ,сотнями або тисячами Вт, необхідно підсилити коливання ,сформовані у

збуджувачі .Цю задачу рішає підсилювальний тракт р/передавача

Він складається з декількох з’єднаних послідовно каскадів підсилення, кожний з яких є підсилювачем потужності. ПП являє собою генератор із зовнішнім збудженням, в якому вихідна потужність перевищує вхідну, а частоти обох коливань рівні. Призначення і вимоги до окремих каскадів, можуть різними в залежності від їх місця в підсилювальному тракті . Останній каскад підсилювального тракту ,що забезпечує необхідну потужність в антені і визначаючий енергетичні показники передавача називають вихідним або кінцевим каскадом .Каскади підсилення, включенні між збуджувачем і вихідним підсилювачем називають проміжними .В залежності від потужності, і потужності збуджувача кількість проміжних каскадів може бути різним, звичайно від 1до 3.

Незалежно від призначення і місця включення підсилювальних

каскадів до них пред’являються слідуючі вимоги:

- забезпечення заданої потужності в навантаженні;

- лінійність( неперекрученість) підсилення р/сигналів, сформованих

у збуджувачі;

- як можна більш високий ККД;

- простота і мінімальний час настройки і перенастройки каскадів з

однієї частоти на іншу у всьому діапазоні частот передавача;

В загальному випадку будь-який підсилювач можна представити

Із таких елементів :

Рис 1 Структурна схема підсилювача.

де УК- вихідне узгоджувальне коло;

ПЕ- активний підсилювальний елемент;

УФК- вихідне узгоджувально-фільтруюче коло;

Узгоджувальне коло включається на вході ПЕ, і забезпечує

узгодження входу ПЕ з джерелом підсилюючих р/сигналів. В цьому розумінні вихідне коло ПЕ є навантаженням для джерела підсилювальних сигналів. Воно забезпечує найкращі умови передачі енергії підсилюємих сигналів на вході ПЕ.

Підсилюючий елемент призначений для перетворення енергії постійного струму, підведеної до джерела живлення, в енергію р/частотних коливань, частота і форма яких визначається вхідним р/сигналом. В ролі ПЕ використовуються електронні лампи(тріоди, тетроди, пентоди) і транзистори.

Узгоджувально-фільтруюче коло включається на вході ПЕ, виконує дві функції : по-перше, забезпечує навантаження каскаду з навантаженням ПЕ, тобто перетворює в загальному випадку комплексний

опір навантаження Zн, а активний опір Rуз, при якому ПЕ забезпечує

максимальну потужність високочастотних коливань на виході, і по-друге ,подавлює бічні коливання, які виникають на виході ПЕ.

Навантаження підсилюючого каскаду є користувачем енергії підсилених коливань. При каскадному з’єднані декількох підсилювачів навантаженням даного підсилювача є вхід ПЕ слідуючого підсилювача. В цьому випадку УФК одночасно є і вхідним УК для слідуючого каскаду підсилення. В ролі навантаження в АП використовуються

коливальні контури , частіше всього у виді П-подібного фільтру.

В теперішній час в ролі ПЕ широко використовуються як електронні лампи ,так і транзистори. Транзисторні підсилювачі використовуються в малопотужних р/передавачах, підсилювальні тракти р/передавачів середньої потужності через відсутність достатньо потужних

високочастотних транзисторів виконуються на електронних лампах.

Розглядаючи режими роботи ПЕ будемо орієнтуватися на електронні

лампи, хоча більшість виводів справедливо і для транзисторів.

2. Підсилювальні елементи та режими їх роботи

Режими ПЕ визначаються величинами постійних і змінних напруг, діючих на його електродах, і опорам навантаження ПЕ.

В залежності від положення робочої точки розрізняють слідуючі

класи роботи ПЕ:

Клас А ,коли робоча точка знаходиться на середині мінімальної

Рис .2. Класи роботи ПЕ в статичному режимі.

При роботі ПЕ в класі А забезпечується мінімальність підсилення при умові, що амплітуда сигналу який підсилюється на вході не виходить за межі лінійної ділянки характеристики(Рис.2а.)

Недоліком роботи ПЕ в класі А слід рахувати ККД, обумовлений великою постійною складовою вихідного струму.

Тому робота в класі А є має сенс в малопотужних проміжних каскадах, важливість яких в загальному енергетичному балансі підсилювального тракту невизначена.

Клас В характеризується положенням робочої точки на нижньому згині прохідної характеристики(Рис.2б.).При роботі ПЕ в класі В підсилюються тільки додатні півперіоди вхідних коливань, а від’ємні відсікаються, тому струм на виході ПЕ являє собою імпульси тривалістю, рівною півперіоду вхідного коливання. Така послідовність імпульсів струму являє собою суму постійної складової(Іа_о),першої гармоніки (Іа₁) і парних гармонік(Іа₂, Іа₄, Іа_2n,…), при цьому амплітуда всіх складових лінійно залежить від амплітуди сигналу на вході.

Значить, якщо на виході ПЕ включити вибірку сигналу, що пропускає тільки першу гармоніку і подавляє (фільтрує)вищі гармоніки, то підсилювач буде працювати в лінійному режимі.

Постійна складова вихідного струму ПЕ в класі В значно меньше, ніж в класі А , тому ККД підсилювача більше. По цій причині клас В є сенс використовувати в потужних каскадах підсилювального тракту, коли вимагається лінійність підсилення і великий ККД.

Якщо два підсилювальних елемента П1 і П2 виключити по двохтактній схемі, то вони будуть підсилювати вхідні сигнали почергово: один — додатній півперіод, другий — від’ємний:

Рис.3. Двократне включення підсилювальних елементів.

З приведених прибудов видно, що в двотактній схемі вихідний струм повторює форму напруги на вході, тобто забезпечує лінійність підсилення, при цьому амплітуда струму збільшується в 2 рази в порівнянні з однотактним підсиленням, працюючи в класі В.

Клас АВ (рис. 2в) і клас С (рис. 2г) в ПП не використовуються, так як обидва не забезпечують лінійність підсилення, хоча ККД, в класі С і вище, ніж в класі В.

Установка необхідного положення робочої точки при нормальних напругах на всіх електродах ПЕ здійснюється зміною постійної напруги E0 на управляючому електроді ПЕ. Контроль положення робочої точки проводиться по показам вимірювального приладу, вимірюючого постійну складову вихідного струму. В статичному режимі (при відсутності сигналу на вході підсилювача) стрілка повинна встановлюватися на спеціальній відмітці, зробленій на шкалі приладу (показати на ПП Р-140).

Правильний вибір і установка робочої точки ще не гарантує лінійність підсилення. Реалізація цих можливостей залежить від динамічного режиму роботи ПП.

Динамічний режим роботи підсилювача має місце при подачі на його хід підсилюємих сигналів. Він визначається величинами постійних і змінних напруг (струмів), прикладених до окремих електродів ПЕ, і величиною опору навантаження ПЕ.

Розглянемо графіки роботи підсилювача в динамічному режимі:

Рис.4. Графіки роботи підсилювача в динамічному режимі .

Розрізняють два види динамічного режиму: недонапружений, критичний і перенапружений.

В недонапруженому режимі лампа працює з незначним сітковим струмом (при класі підсилення В), імпульси анодного струму мають значну величину, але не максимальну можливу ККД, порівняно низький. При класі підсилення А сітковий струм відсутній

(такий режим називається буферним).

В критичному режимі лампа працює з гранично допустимою амплітудою імпульсів анодного струму, форма яких гострокутна.

Імпульси сіткового струму мають порівняно невелику величину. ККД більший, ніж в недонапруженому режимі. Як і в недонапруженому режимі в класах підсилення А і В забезпечується лінійність підсилення.

В перенапруженому режимі напруга збудження має значну величину. Тому додатна напруга на управляючій сітці буває більшою і проходить перерозподіл анодного і сіткового струму. В імпульсах анодного струму проявляються провали (впадини ),перекручення форми вхідного сигналу свідчить про нелінійність підсилення. ККД в перенапруженому режимі приблизно такий же , що і в критичному. Сильно перенапружений режим недоступний так як збільшення сіткового струму небезпечно для управляючої сітки лампи.

Із сказаного можна зробити слідуючий висновок про режими ПЕ, при яких забезпечується лінійне підсилення р/сигналів;

—ПЕ повинен працювати в класі А ( без відсічки вихідного струму),

або в класі В (з відсічкою вихідного струму);

—ПЕ повинен працювати в критичному або в слабо недонапруженому режимі, що забезпечується постійним опором навантаження ПЕ і постійною амплітудою сигналу на його вході;

—підсилювачі, виконані на електронних лампах, повинні працювати в буферному режимі, тобто без струмів в колі управляючої сітки.

3.Узгоджувально-фільтруючі пристрої

Сучасні р/передавачі забезпечують роботу в широкому діапазоні частот. Так, наприклад, діапазон р/станції Р-161А-2М від 1,5 до 60 МГц. Для ефективної роботи передавача в таких широких рамках до нього додаються різні типи антен. Вхідні опора цих антен є комплексними, тобто мають активні і реактивні складові і змінюються в широких межах. Вхідний опір передавача має активний характер і рівний 75 Ом(в передавачі Р-140 Rвх=50Ом).Для забезпечення ефективної передачі енергії вихідного каскаду передавача в антену ,необхідно забезпечити рівність опорів Rвих.пер=Rвх.антени.

Крім цього в комплекті передаючих антен є симетричні антени ( диполі і Y-подібні),а передавач зібраний по несиметричній схемі.

Таким чином, для узгодження вихідного опору передавача з вхідними опорами різних антен , а також для перетворення несиметричної схеми передавача в симетричну при роботі на симетричні антени використовуються узгоджувально-симетричні пристрої ,які в різних р/станціях називаються по різному .В р/станції Р-161А-2М-СУ(узгоджувальний пристрій) і СКП(симетруюче-комутуючий пристрій).В Р-140М-УСС(пристрій узгодження і симетрування), в Р-130М-ВУП(виносний узгоджувальний пристрій).

В р/станціях метрового діапазону хвиль симетричні антени як правило не використовують, тому між антеною і виходом передавача включається пристрій, який забезпечує тільки узгодження опору передавача і антени. Це може бути звичайний паралельний контур, як в Р-105М,так і спеціальний УАП(узгоджувально-антенний пристрій) в Р-111 або ПУАА(пристрій узгоджувальний антенний автоматичний) в Р-171.

Як було розглянуто в першому питанні, вихідний каскад підсилювального тракту працює в режимі з відсічкою анодного струму .Тому анодний струм лампи має імпульсний характер і в анодному колі протікають струми вищих гармонік. Вищі гармоніки, попадаючи в антено–фідерну систему , випромінюються, наводячи завади другим р/засобам.

Крім вище вказаних задач узгоджувальні і узгоджувально-симетруючі пристрої повинні забезпечувати подавлення (фільтрацію) вищих гармонік. Кращими фільтруючими здібностями володіє П-подібний фільтр і тому узгоджувально-симетруючі пристрої представляють собою різновидність таких фільтрів.

Спрощена принципова схема ПУС Р –140М має вид:

Рис .5. Принципова схема ПУС.

В цій схемі симетрія досягається використанням двох П-подібних контурів, включених симетрично відносно корпуса. Така схема узгоджувально-симетруючого пристрою утворюється простим переключенням шляхом короткого замикання, одного з двох П-подібних контурів, перетворюється в несиметричний узгоджувальний пристрій.

Використання в ролі узгоджувально-симетруючих пристроїв перенастроювальних реактивних чотирьохполюсників з плавними органами настройки (варіометри і конденсатори змінної ємності) має один суттєвий недолік —великий час настройки і перенастройки з однієї частоти на іншу.

Зменшення часу настройки вихідних каскадів забезпечено використанням фільтруючих пристроїв в виді неперенастроюваних смугових фільтрів , маючих смугу пропускання в одну октаву (f2/f1<=2).Додатньою стороною комутуючих смугових фільтрів крім малого часу комутації, являється висока степінь подавлення вищих гармонік. Однак смугові фільтри вимагають хорошого узгодження з навантаженням, тобто з антеною. В тому випадку найкращі результати дає вищерозглянута схема ПУС.

Щоб скоротити час перенастройки таких САУ використовують неплавні органи настройки, а дискретні з малим кроком зміни індуктивностей і ємностей.

Рис.6. Схема САУ з дискретним органами настройки.

На даній схемі замість варіометра і використовується набір з П котушок індуктивності, включених послідовно, а замість конденсатора змінної ємності С набір конденсаторів постійної ємності, включенних паралельно. Величини окремих дискретних елементів відносяться один до одного, як члени геометричної прогресії, елементи якої визначають крок зміни індуктивності або ємності контуру :

L₁,L₂=L_g , L₃=L*g², … , L_n=L* g^(n-1)

або С₁,С₂=С_g , C₃=C*g², …, Cn=C*g^(n-1)