Контрольная летучка по радиопередающему устройству

Согласующее антенное устройство.

Режим работы усилительных элементов.

Усилитель мощности и требования, предъявляемые к ним.

Методические рекомендации преподавателю по проведению занятия

ЗАНЯТИЕ №7. Усилитель мощности.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ С ПОЛУВЗВОДОМ № 1

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.

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

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.

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.

Вопросы летучки:

1. Характеристики возбудителей.

2. Доложить режимы работы УЭ, дать характеристику.

3. Задачи и сущность работы САУ.

4. Характеристики усилителей мощности.

5. Требования, предъявляемые к усилителям мощности.

6. Сущность формирования сигналов АМ, ОМ, ЧМ, АТ, ЧТ.

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

1. Усилитель мощности и требования, предъявляемые к ним.

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 U_{m возбудит} = 0.8+1.2В на нагрузке R_H = 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 (Р_А), коэффициентов усиления по мощности К_Р; 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 К_Р;

- рабочий диапазон частот, который задаётся минимальной f_min и максимальной f_max частотами и коэффициентом перекрытия диапазона:

K_f = f_max/f_min.

- время перестройки с одной частоты на другую t_n;

- 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).

1. Режим работы усилительных элементов.

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.
3. Согласующее антенное устройство.

Известно, что максимальная передача энергии ог источника (в радиопередатчиках - от УМ) в антенну обеспечивается при согласовании внутреннего сопротивления источника энергии и входного сопротивления антенны. А поскольку в военных радиостанциях, как правило, предусматривается использование нескольких антенн, входное сопротивление которых является комплексным, зависит от частоты изменения в широких пределах, то возникает необходимость преобразования комплексного сопротивления антенны Za=R+jХа в постоянное сопротивление нагрузки Rн.

Такое преобразование возможно при выполнении двух условий:

1) Ra = Rн = Const.

2) Ха = 0, т.е. компенсацию реактивной составляющей входного сопротивления антенны.

Процесс преобразования Za в сопротивление Rн называется согласованием, а электрическая цепь, обеспечивающая это преобразование - согласующей цепью. Понятие «согласующее антенное устройство» (САУ) включает в себя согласующую цепь и дополнительные элементы, обеспечивающие настройку этой цепи.

Функциональная схема простейшего САУ приведена на рисунке 8.4.

Рис.8.4. Функциональная схема САУ

Здесь в состав САУ введены элементы настройки Хн и амперметр. Элемент настройки Хн это переменное реактивное сопротивление. При Ха < 0, когда 0 < l/l < ¼, сопротивление Хн должно иметь индуктивный характер («Удлиняющая» катушка); при Ха > 0, когда ¼ < l /l < ½ сопротивление Хн должно иметь ёмкостный характер («Укорачивающий» конденсатор). Амперметр вводится в схему САУ для определения момента настройки САУ по максимуму точка в антенной цепи.

На рисунке 8.5. изображена схема САУ широко применяемая в маломощных УКВ передатчиках.

Рис.8.5 Схема САУ маломощного УКВ передатчика.

В этой схеме имеется два органа настройки - конденсаторы переменной ёмкости С1 и С2, ёмкость которых изменяется в диапазоне частот одной ручкой «настройка антенны». Изменение ёмкости С1. регулирующей связь САУ с антенной, осуществляется через редуктор с передаточным числом n (n > 10), т.е. со скоростью, в n раз больше, чем скорость изменения ёмкости С2 (от С2мин до С2макс.) емкость конденсатора С1 изменяется n раз. Конденсатор С1 предназначен в основном для компенсации реактивной составляющей сопротивления антенны при Ха > 0, тогда как конденсатор С2 обеспечивает трансформацию активной составляющей сопротивления антенны Ra в сопротивление Rн. Компенсация реактивной составляющей при Ха < 0 (ёмкостного характера) производится с помощью индуктивностей L1, L2, L3.

Здесь рекомендуется по упрощенной принципиальной схеме радиостанции Р-159 показать и объяснить принцип работы САУ передатчика P-159.

Применяемые в радиопередатчиках военных радиостанций выходные каскады в основном рассчитаны на подключение несимметричных антенн и имеют несимметричный /относительно земли/ выход. Для подключения к таким выходным усилителям симметричных антенн /типа симметричный вибратор/ используется согласующее - симметрирующего устройства: функциональная схема такого устройства представлена на рисунке 8.6.

Рис.8.6. Функциональная схема согласующе-симметрирующего устройства.

Согласующе-симметрирующее устройство выполняет две задачи:

ПЕРВАЯ ЗАДАЧА: обеспечить согласование выхода передатчика с входом антенны. Реактивная составляющая сопротивления антенны компенсируется элементами настройки ХН1 и ХН2, а согласование активных сопротивлений элементом связи Хсв2.

ВТОРАЯ ЗАДАЧА: переход от несимметричного выхода усилителя к симметричному входу антенны. Она решается элементами симметрирования Хсим1 и Хсим2. Подбором их сопротивлений в ветвях антенны достигается равенство токов по величине и сдвиг между ними по фазе на 180°. При этом фидер энергию не излучает, а диаграмма направленности излучения антенны симметрична. Если условие сдвига фаз или равенства токов не выполняются, диаграмма направленности симметричной антенны искажается.

Здесь преподавателю рекомендуется по функциональной схеме р станции Р-130М показать схему ВСУ-А и кратко рассказать принцип его работы на антенну «симметричный вибратор».

Более подробно схемы согласующих и согласующе-симметрирующих устройств будут рассмотрены при изучении радиостанции.

Сформулируем общие требования, которым должно удовлетворять согласующее устройство:

- оно должно обеспечивать максимальную точность согласования на своём входе, т.е. минимальное отклонения сопротивления Za от величины Rн;

- потери в согласующем устройстве должны быть минимальными, для чего согласующая цепь выполняется из высокодобротных реактивных элементов;

- с целью уменьшения побочных излучений передатчика целесообразно, чтобы согласующее устройство обладало фильтрующими свойствами. В связи с этим согласующие цепи составляются преимущественно из элементов, образующих звенья ФНЧ;

- согласующее устройство должно обладать простотой и однозначностью настройки, а поэтому количество элементов в согласующей цепи должно быть минимальным;

- для автоматизированных передатчиков важным показателем является время перестройки согласующего устройства, которое не должно превышать единиц секунд; минимальные габариты и вес согласующего устройства.

3. Контрольная летучка по радиопередающему устройству.

Вопросы летучки:

1.Характеристики возбудителей.

2.Доложить режимы работы УЭ, дать характеристику.

3Задачи и сущность работы САУ.

4Характеристики усилителей мощности.

5Требования, предъявляемые к усилителям мощности.

6Сущность формирования сигналов АМ, ОМ, ЧМ, АТ, ЧТ.

Старший преподаватель кафедры войск связи Т и ОД

п/п-к___________И.Саламахин.

Дата добавления: 2014-10-17