Ключевой двухтактный генератор (варианты)

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в ключевых усилителях мощности радиопередающих устройств. Изобретение решает задачу стабилизации энергетического режима при изменении сопротивления нагрузки генератора. Ключевой генератор выполнен по двухтактной схеме с параллельным питанием. Генератор содержит генераторные приборы, нагрузочный контур параллельного типа. Между генераторными приборами и нагрузочным контуром включены два формирующих контура Г-образного типа, состоящие из конденсаторов, дросселей. В генератор дополнительно введены два ограничительных диода, включенные однополярно с генераторными приборами, блокировочный дроссель и разделительный конденсатор. В первом варианте аноды ограничительных диодов подключены соответственно к точкам соединения выводов разделительных конденсаторов и дросселей формирующих контуров, их катоды соединены и через разделительный конденсатор подключены к общей шине генератора, а через блокировочный дроссель - к положительному полюсу источника питания. Во втором варианте аноды ограничительных диодов подключены соответственно к точкам соединения выводов дросселей формирующих контуров с выводами нагрузочного контура, их катоды соединены и через разделительный конденсатор подключены к общей шине генератора, а через блокировочный дроссель - к положительному полюсу источника питания. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретете относится к области радиотехники и может быть использовано в ключевых усилителях мощности радиопередающих устройств.

Известен ключевой генератор с формирующим контуром, описанный и подробно исследованный в научно-технической литературе (Артым A.Д. Усилители класса Д и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, с. 92 - 105). Такой генератор содержит ключевой генераторный прибор (электронная лампа, транзистор), нагрузочный контур и формирующий контур. Наличие дополнительного формирующего контура, настроенного на частоту, существенно отличающуюся от генерируемой частоты, позволяет получить оптимальный режим работы ключевого генератора, характеризующийся отсутствием скачков тока и напряжения на генераторном приборе в моменты его отпирания и запирания. Это существенно уменьшает коммутационные потери в генераторе, что позволяет значительно (не менее, чем на порядок) увеличить частоту эффективно генерируемых колебаний.

Известен также двухтактный ключевой генератор с формирующими контурами (Козырев В.Б., Лаврушенков В.Г., Леонов В.П. и др. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме. /Под ред. Попова И.А. М.: Радио и связь, 1985, с. 130, рис. 5.4). По существу данный генератор представляет собой соединение двух однотактных генераторов. По принципу действия и характеристикам этот генератор практически не отличается от однотактного, однако в отличие от него в составе колебаний, генерируемых двухтактным генератором, не содержится четных гармоник. Этот генератор и принимается за ближайший аналог. Он содержит генераторные приборы УТ₁ и УТ₂, в качестве которых могут использоваться электронные лампы или транзисторы, формирующие контуры Г-образного типа С₁L₁,C₂L₂ нагрузочный контур.

Недостатком рассмотренных выше генераторов является значительная зависимость их энергетического режима, то есть мощности, максимальных значений напряжений на генераторном приборе и реактивных элементах нагрузочного и формирующих контуров от сопротивления нагрузки генераторов. В ряде случаев применения таких генераторов, например в качестве усилителя мощности радиопередающего устройства, нагрузка может меняться в значительных пределах. Эти изменения могут быть как медленными, статическими (при настройке системы выходных контуров и антенны), так и динамическими (при передаче сигналов в режимах амплитудной, частотной или фазовой модуляции). Возникающие при изменении нагрузки перенапряжения на элементах генераторов и экстратоки вызывают необходимость предусматривать значительные запасы по электрической прочности элементов генераторов, что приводит к неоправданному увеличению габаритов генераторов и уменьшению надежности их работы, особенно в радиопередатчиках большой мощности.

Изобретение решает задачу стабилизации энергетического режима ключевого генератора с формирующими контурами при изменении сопротивления нагрузки генератора.

Устройство имеет два варианта технического решения задачи.

Устройство по первому варианту решает задачу стабилизации энергетического режима генератора путем ограничения максимальных значений напряжений на генераторных приборах.

Устройство по второму варианту решает задачу стабилизации энергетического режима генератора путем ограничения амплитуды напряжения на нагрузочном контуре.

Решение задачи по первому варианту осуществляется за счет введения в ключевой двухтактный генератор с формирующими контурами двух диодов, блокировочного дросселя и разделительного конденсатора. При этом диоды включены однополярно с генераторными приборами, их аноды подключены к точкам соединения конденсаторов и дросселей формирующих контуров, их катоды соединены и через введенный разделительный конденсатор подключены к общей шине генератора, а через введенный блокировочный дроссель - к положительному полюсу источника питания.

Без введенных элементов максимальное значение напряжения на генераторных приборах даже в номинальном режиме (при оптимальной нагрузке) примерно в три раза превышает напряжение источника анодного питания генератора. При изменении сопротивления нагрузки генератора максимальное значение напряжения на генераторных приборах может значительно превышать значение этого напряжения в номинальном режиме. Введенные элементы, включенные в схему генератора определенным образом, позволяют стабилизировать максимальные напряжения на генераторных приборах на уровне удвоенного значения напряжения анодного питания.

Решение поставленной задачи по второму варианту осуществлено также за счет введения в ключевой двухтактный генератор с формирующими контурами двух диодов, блокировочного дросселя и разделительного, конденсатора. При этом диоды включены однополярно с генераторными приборами, их аноды подключены к точкам соединения выводов дросселей формирующих контуров с выводами нагрузочного контура, их катоды объединены и через введенный разделительный конденсатор подключены к общей шине генератора, a через введенный блокировочный дроссель подключены к положительному полюсу источника питания.

Наличие введенных элементов при изменении сопротивления нагрузки генератора позволяет стабилизировать амплитуду напряжения на нагрузочном контуре (на одном плече нагрузочного контура) на уровне напряжения анодного питания генератора.

В случае необходимости возможно совмещение обоих вариантов решения в одном устройстве, что позволяет осуществить полную стабилизацию энергетического режима генератора.

Таким образом, реализация предлагаемого технического решения дает возможность более эффективно использовать генераторные приборы по напряжению, так как даже в номинальном режиме максимальное напряжение на генераторных приборах уменьшается в 1,5 раза, что позволяет в 1,5 раза увеличить напряжение анодного питания генератора, а значит во столько же раз увеличить мощность генератора. Кроме того, появляется возможность значительного уменьшения массы и габаритов генератора, особенно большой мощности, вследствие того, что отпадает необходимость предусматривать значительные запасы по электрической прочности элементов генератора.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены соответственно первый и второй варианты структурной электрической схемы предложенного устройства. На фиг. 3 дана структурная схема совмещения обоих вариантов в одном устройстве.

Ключевой генератор выполнен по известной двухтактной схеме с параллельным питанием. В качестве генераторных приборов 1, 2 могут быть использованы электронные лампы или транзисторы. Питание генератора осуществляется через блокировочные дроссели 16 и 17, развязка последующих цепей генератора от постоянного напряжения осуществляется разделительными конденсаторами 18 и 19 и дросселем 20, включенным между средней точкой дросселя 7 и общей шиной генератора 14. В качестве нагрузочного контура используется параллельный колебательный контур, состоящий из дросселя 7, конденсатора 8 и резистора нагрузки 9. Между генераторными приборами и нагрузочным контуром включены два формирующих контура Г-образного типа, один из которых состоит из конденсатора 3 и дросселя 5, а другой - из конденсатора 4 и дросселя 6 (фиг. 1 и 2).

В генератор дополнительно введены два диода 10 и 11, включенные однополярно с генераторными приборами 1, 2, блокировочный дроссель 12 и разделительный конденсатор 13.

В первом варианте введенные элементы включены следующим образом. Аноды ограничительных диодов 11 и 10 подключены соответственно к точкам соединения выводов конденсаторов 3, 4 с выводами дросселей 5, 6 формирующих контуров. Катоды диодов 10, 11 соединены и через введенный разделительный конденсатор 13 подключены к общей шине 14 генератора, а через введенный блокировочный дроссель 12 - к положительному полюсу 15 источника питания.

Во втором варианте схема подключения введенных элементов следующая. Аноды диодов 11 и 10 подключены соответственно к точкам соединения выводов дросселей 5, 6 с выводами нагрузочного контура. Катоды диодов 10 и 11 соединены и через введенный разделительный конденсатор 13 подключены к общей шине 14 генератора, а через введенный блокировочный дроссель 12 - к положительному полюсу 15 источника питания.

Ключевой генератор (вариант 1) работает следующим образом.

При поочередном отпирании генераторных приборов 1, 2 через них проходят импульсы тока, форма и величина которых, как известно, зависят от параметров как нагрузочного, так и формирующего контуров. В паузах между импульсами тока к генераторным приборам прикладывается переменное напряжение, также существенно зависящее от параметров этих же контуров. Обычно это напряжение представляет собой отрезки напряжения, близкие по форме к синусоидальным. Среднее значение напряжения на генераторных приборах, очевидно, равно напряжению E источника питания генератора 15 независимо от формы напряжения на приборах. Следовательно, максимальное значение этого напряжения зависит от его формы и может значительно превышать 2E. Напряжения на генераторных приборах 1, 2 передаются через разделительные конденсаторы 18 и 19 в точки подключения диодов 10, 11 (фиг. 1). При этом форма этих напряжений не изменяется, но снимается постоянная составляющая, т.е. максимальные значения этих напряжений уменьшаются на E. Следовательно, если максимальные значения напряжений в точках подключения диодов 10, 11 оказываются больше E, то диоды открываются, поддерживая эти напряжения на уровне не более E. Значит, форма этого напряжения все больше приближается к меандру, такую же форму будет иметь и напряжение на генераторных приборах при максимальном значении этого напряжения не более 2E.

Ключевой генератор (вариант II) работает следующим образом. На параллельном нагрузочном контуре (7, 8, 9) при достаточно высокой его добротности, что обеспечивается расчетом параметров контура, напряжение имеет синусоидальную форму. В точках подключения диодов 10, 11 по отношению к общей шине 14 генератора (фиг. 2) действуют также синусоидальные, но противофазные напряжения, амплитуда которых равна половине амплитуды напряжения на нагрузочном контуре. При увеличении сопротивления резистора 9 нагрузки увеличивается амплитуда этих напряжений и мощность генератора. Если амплитуда напряжений в точках подключения диодов 10, 11 становится больше E, диоды открываются, поддерживая амплитуду этих напряжений на уровне E и, значит, - амплитуду всего напряжения на нагрузочном контуре на уровне 2E независимо от дальнейшего увеличения сопротивления резистора 9 нагрузки.

Таким образом, в первом варианте ограничительные диоды 10, 11 осуществляют рекуперацию излишней реактивной энергии из элементов формирующих контуров, а во втором - из элементов нагрузочного контура в источник питания генератора. Это приводит к ограничению максимальных значений напряжений на генераторных приборах на уровне 2E и амплитуды напряжения на каждой половине нагрузочного контура на уровне E независимо от сопротивления нагрузки генератора. Жесткое ограничение указанных напряжений обеспечивает стабилизацию мощности ключевого генератора при изменении сопротивления его нагрузки в широких пределах.

Формула изобретения

1. Ключевой двухтактный генератор, который выполнен по двухтактной схеме с параллельным питанием генераторных приборов через блокировочные дроссели и развязкой последующих цепей от постоянного напряжения разделительными конденсаторами, содержащий генераторные приборы, нагрузочный контур параллельного типа и два формирующих контура Г-образного типа, которые включены между генераторными приборами и нагрузочным контуром, а также дроссель, включенный между дросселем нагрузочного контура и общей шиной генератора, отличающийся тем, что введены два ограничительных диода, блокировочный дроссель и разделительный конденсатор, причем ограничительные диоды своими анодами подключены к точкам соединения выводов разделительных конденсаторов развязки и дросселей соответствующих формирующих контуров, катоды ограничительных диодов соединены и через разделительный конденсатор подключены к общей шине генератора, а через блокировочный дроссель подключены к положительному полюсу источника питания.

2. Ключевой двухтактный генератор, который выполнен по двухтактной схеме с параллельным питанием генераторных приборов через блокировочные дроссели и развязкой последующих цепей от постоянного напряжения разделительными конденсаторами, содержащий генераторные приборы, нагрузочный контур параллельного типа и два формирующих контура Г-образного типа, которые включены между генераторными приборами и нагрузочным контуром, а также дроссель, включенный между дросселем нагрузочного контура и общей шиной генератора, отличающийся тем, что введены два ограничительных диода, блокировочный дроссель и разделительный конденсатор, причем ограничительные диоды своими анодами подключены к точкам соединения выводов дросселей соответствующих формирующих контуров с выводами нагрузочного контура, катоды ограничительных диодов соединены и через разделительный конденсатор подключены к общей шине генератора, а через блокировочный дроссель подключены к положительному полюсу источника питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3