НЕДОНАПРУЖЕНИЙ, КРИТИЧНИЙ, ПЕРЕНАПРУЖЕНИЙ РЕЖИМИ РОБОТИ ГЗЗ

В залежності від величин опору навантаження ГЗЗ, амплітуди вхідної напруги чи напруги живлення в схемі відрізняють три основні режими роботи АЕ: недонапружений, критичний і перенапружений. Ці режими розглянемо для роботи АЕ в режимі коливань другого роду, який використовується в потужних каскадах.

При недонапруженому режимі схема ГЗЗ має такий опір навантаження, амплітуду Uвх чи U ж, що динамічна характеристика по змінному струму не перетинає лінію критичного режиму (ЛКР); імпульс струму АЕ при цьому режимі неспотворений (рис. 2.11).

Рис. 2.11 НH роботи в схемі ГЗЗ. Рис. 2.12. КH роботи в схемі ГЗЗ.

На рис. 2.11а показано, що в схемі транзисторного ГЗЗ використаний режим коливань другого роду (робоча точка А на вихідних ВАХ відповідає положенню I_к = 0 при відсутності U_вх). Нахил ДХ (R_ер коливального контура), такий, що при заданій величині U_вх, що вона не перетинає ЛКР. Це приводить до появи форми імпульсу Ік в вигляді неспотвореної косинусоїди, відсіченої на половинному рівні. Форма U_вих є неспотворена синусоїда, де негативний напівперіод виходить із побудови по динамічній характеристиці, а позитивний з'являється внаслідок використання в вигляді навантаження паралельного коливального контура, коли при закритому АЕ заряджений до цього при проходженні струму конденсатор контуру розряжається через його індуктивність.

При критичному режимі (КР) схема ГЗЗ має такий опір навантаження, амплітуду Uвх чи Еж, що ДХ по змінному струму доторкається до лінії критичного режиму; імпульс Івих АЕ при цьому має сплощення вершини. Сплощення вершини імпульсу в схемі ГЗЗ на БТ пов'язана з тим, що при значній амплітуді U_вх і появи значного Ібу частина носіїв струму, яка емітується з області емітера, перехоплюється базою, при цьому Ік зменшується, що приводить до сплощення вершини. Також зменшення густини електронних носіїв на вершині пов'язано також зі зменшенням колекторної залишкової напруги U_з до 1 … З В, що зменшує притягувальний потенціал колектора при значному позитивному потенціалі бази.

При перенапруженому режимі (ПР) в схемі ГЗЗ зростає опір навантаження (підвищується добротність коливального контуру і R_ер) так що нахил динамічної характеристики по змінній складовій струму збільшується, зростає амплітуда Uвх. По формі імпульса вихідного струму АЕ відрізняють при цьому два підрежими: слабко-перенапружений і сильно-перенапружений.

При слабко-перенапруженому режимі в імпульсі Івих АЕ з'являється впадина, а амплітуда Uвих не перевищує Е_ж (рис. 2.13). При збільшенні опору навантаження і кута нахилу динамічна характеристика перетинає лінію критичного режиму. При побудові форми U_вих, яка є синусоїдальною, її амплітуда, як видно з рис. 2.13а, не перевищує Е_ж. Поява впадини в формі імпульсу пов'язано з тим, що появою U_вх і її збільшенням, Ік збільшується до перетину характеристики з ЛКР. Подальше зменшення напруги колектора (т. А) приводить до подальшого зменшення Ік (т. Б), появи впадини в імпульсі І_к. Збільшення амплітуди U_вх при цьому режимі приводить до різкого збільшення І_б при дуже малих залишкових напругах U_з = U_в, коли притягувальний потенціал колектора близький до нуля, а потенціал бази значний, що приводить до перерозподілу електронного потоку, збільшення Іб і появи впадини в імпульсі Ік струму.

Рис. 2.13. Слабко-перенапружений режим роботи в схемі ГЗЗ.

При сильно-перенапруженому режимі проходить подальше збільшення опору навантаження ГЗЗ, зростає нахил ДХ по змінному струму, амплітуда Uвих більша Е_ж.

Оскільки в схемі ГЗЗ на БТ при цьому режимі проходять по-різному, є необхідність провести окремий аналіз процесів в цих схемах ( рис. 2.14).

Рис. 2.14. Сильно-перенапружений режим роботи в схемі ГЗЗ.

В схемі ГЗЗ на БТ форма струму має зворотній викид (рис. 2.14а), оскільки зменшення Ік при зменшенні Uвих (з точки а до точки б) приводить спочатку до зменшення Ік до нуля, а поява негативної напруги U_вих на колекторі (при значній позитивній напрузі U_вх на базі) приводить до відкриття переходу база-колектор, появи зворотного Ік (відповідає напрузі U_вих в точці в). Зворотній викид струму колектора обумовлюється також значним зростанням базового струму.

Реалізація недонапруженого, критичного і перенапруженого режиму роботи реалізуують зміною Е_ж (для реалізації недонапруженого режиму його треба збільшувати, а для реалізації перенапруженого - зменшувати).

2.6. ВИБІР ОПТИМАЛЬНОГО КУТА ВІДСІЧКИ В СХЕМІ ГЗЗ

Вибір оптимального кута відсічки здійснюється з таким розрахунком, щоб величина Р_вих була значна при високому ККД η. Для аналізу ці величини визначимо через коефіцієнти . Берга.

З графіків залежності коефіцієнтів Берга від Ө (рис. 2.15) видно, що оптимальним Ө є кут, близький до 90°. Спроба збільшення кута відсічки ( від 90° до 120°, де максимальний) приводить до незначного збільшення Р_вих,α₁ збільшується від 0,5 до 0,54.

Рис. 2.15. Залежність коефіцієнтів розкладання α₁ і α₂ від кута відсічки.

Одначе збільшення кута Ө тоді приведе до зменшення η, який характеризується, як видно з формули для η, відношенням α₁/α₀. Збільшення кута Ө, приводить до незначного збільшення α₁, але значного збільшення α₀, тому η зменшується.

Зменшення Ө (від 90° до 30°) приводить до зменшення Р_вих, оскільки крутість спаду α₁ в цьому проміжку велика. ККД η при зменшенні Ө зростає, оскільки крутість залежності α₁ в цьому проміжку вища, ніж крутість зміни α₀, а співвідношення α₁/α₀ зростає.

Оптимальний кут відсічки Ө_opt = 70° … 90° реалізується в схемі каскаду без спеціальних вимірів, оскільки цей кут відповідає появі вихідного струму АЕ ГЗЗ при появі вхідної напруги.

2.7. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАВАНТАЖЕННЯ ГЗЗ

Характеристиками навантаження ГЗЗ є залежність основних енергетичних показників (Р_вих, η, Р₀, Р_{к(с, а)}) від зміни величини опору навантаження. Ці характеристики використовують для вибору оптимального режиму роботи ГЗЗ. Навантаження ГЗЗ є паралельний контур, настроєний на частоту вхідного сигналу, а зміна навантаження є зміна Р_ер, яка в свою чергу, при стабільності U_вх і Е_ж, приводить до зміни режиму АЕ від недонапруженого до сильно-перенапруженого.

На рис. 2.16 зображено хід характеристик навантаження ГЗЗ від опору навантаження R_ер, де додатково приведені форми струму АЕ (БТ) при зміні режиму роботи.

Залежність характеристик навантаження при зміні опору навантаження пояснюється зміною режиму АЕ, тому вони мають вигляд, який зображено на мал. 2.16а.

Амплітуда першої гармоніки вихідного струму І_1m = α₁·U_m. Оскільки кут відсічки не змінюється (характеристика знімається при постійному U_вх та Е_ж), то видно, що І_1m фактично залежить від зміни амплітуди імпульсу І_m. Чітко видно з рис. 2.16б, що амплітуда його при зміні режиму від недонапруженого до сильноперенапруженого змінюється таким чином: в проміжку від недонапруженого до критичного фактично І_m не змінюється; а від критичного до перенапруженого зменшується. В перенапруженому режимі тенденція зменшення І_1m проходить різкіше, оскільки при появі зворотного викиду в імпульсі струму БТ його форма вже більш схожа на синусоїду з подвійною частотою (тобто, тут рівень першої гармоніки менший, ніж другої).

Рис. 2.16. Характеристики навантаження ГЗЗ.

Постійна складова струму І₀ (середнє значення) дорівнює: І₀ = α₀ І_m.: Оскільки α₀ незмінний, а І_m змінюється при зміні режиму так, як і в попередньому випадку для І_1m, то тенденція зміни І₀ схожа: від НР до КР І₀ практично не змінюється, а від КР до ПР зменшиться. Тенденція зменшення тут менш різкіша, ніж для І_1m, що обумовлюється появою впадини і зворотнього викиду, але середнє значення струму зменшиться менше.

Амплітуда вихідної напруги. Е_м=І_1m·R_ер:опір контуру R_ер при зміні режиму АЕ постійно і пропорціонально зростає, а амплітуда І_1m від НР до КР фактично не змінюється, тому при перемноженні цих величин U_m зростає. Від КР до НР І_1m зменшується при зростанні R_ер , тому при перемноженні цих величин U_m фактично є незмінною, що видно на рис. 2.16б.

Коефіцієнт використання активного елемента по напрузі. ξ= U_m/ Е_ж

Оскільки Е_ж - величина постійна, то ξ змінюється так, як змінюється U_m.

Потужність споживання від джерела живлення. Р₀ = І₀·Е_ж.

Оскільки Е_ж - величина постійна, то тенденція зміни Р₀ така ж, як і для І₀.

Коливальна вихідна потужність. Р_вих =½І_1mU_m : від НР до КР І_1m практично постійний, а амплітуда вихідної напруги збільшується, тому і Р_вих при перемноженні цих величин збільшується. Від критичного до перенапруженого режиму U_м незмінна, а І_1m зменшується, то при перемноженні їх Р_вих зменшується, а максимальна Р_вих може бути одержана при КР.

Потужність розсіювання. Р_{к(с, а)}=Р₀-Р_вих : від НР до КР Р₀ фактично постійна, а Р_вих збільшується, тому при відніманні від постійної Р₀ збільшуваної Р_вих Р_{к(с, а)} зменшується. Від КР до ПР Р₀ зменшується і Р_вих зменшується, тому при їх різниці Р_к(с) повинна бути незмінною, одначе Р_{к(с, а)} повільно зменшується, оскільки при цьому Р₀ зменшується значно повільніше, ніж Р_вих. З графіку видно, що експлуатація АЕ в НР невигідна, оскільки Р_к(с) достатньо велика.

ККД.Від НР до КР Р_вих збільшується, а Р₀ фактично постійна, тому η збільшується. Від КР до ПР Р_вих і Р₀ зменшується, одначе Р_вих при КР має неявно виражений максимум, тому в слабоперенапруженому режимі Р_вих близька до постійної величини і незначно зменшується при підході до ПР, а Р₀ зменшується, тому η в слабоперенапруженому режимі має неявно виражений максимум, а при переході до ПР Р_вих зменшується різкіше, ніж Р₀, тому при і η зменшується.