52. ДВА ЧАСТНЫХ ВОПРОСА, КАСАЮЩИХСЯ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ И РАССМАТРИВАЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ПРИМЕРОВ ПРИМЕНЕНИЯ НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Стабильность частоты генераторов с самовозбуждением и влияние на нее сопротивления нагрузки

В результате небольшого изменения расстояния между электродами ламп или из-за небольших колебаний напряжений источников питания в генераторах с самовозбуждением происходит изменение частоты, величина которого зависит от вида схемы. На сверхвысоких частотах нередко работают с частотной модуляцией, осуществляемой посредством изменения соответствующего напряжения. Происходящее при этом изменение частоты также зависит от вида схемы, влияние которой часто бывает настолько сильным, что приводит даже к скачкообразным изменениям частоты. Поведение генератора в этих случаях лучше всего исследовать с помощью нагрузочных характеристик. В большинстве случаев достаточно иметь только часть их,

Рис. 52.1. Нагрузочные характеристики генератора с тормозящим полем (при см).

соответствующую выбранным рабочим значениям частоты или мощности. Для исследования изменения частоты генератора, например, необходимы только кривые постоянной частоты. На рис. 52.1 приводится соответствующий пример. В качестве отсчетной точки линии, которой отвечают показанные на этом рисунке характеристики, выбрана точка А, где подключается антенна, полностью согласованная с основной линией. При указанных на рис. 52.1 значениях полных сопротивлений были измерены отклонения частоты от случая, когда входное сопротивление антенны равно волновому сопротивлению линии.

Используя соответствующие этим значениям точки, можно с достаточной точностью построить кривые постоянной частоты, показанные на рисунке пунктиром. Очевидно, что при изменении сопротивления нагрузки в направлении стрелки получается наибольшее увеличение частоты Изменение частоты вблизи точки например в направлении стрелки можно считать пропорциональным изменению сопротивления. Поэтому можно записать равенство

Здесь индекс означает, что изменение сопротивления происходит в направлении стрелки Если сопротивление нагрузки изменяется в каком-то другом направлении то для него изменение частоты будет, очевидно, равно

где — угол между направлениями Значение коэффициента зависит только от параметров генератора, на что и указывает индекс

Пусть сопротивление нагрузки подключенное к генератору, зависит от частоты. Если частота изменяется на небольшую величину то сопротивление также изменится мало, причем величину его изменения можно считать пропорциональной т. е.

Значение коэффициента зависит от свойств сопротивления нагрузки, на что указывает индекс

Предположим, что по какой-либо причине, например в результате изменения напряжения, частота генератора (при подключении независящего от частоты сопротивления нагрузки должна возрасти на небольшую величину В действительности вследствие зависимости сопротивления нагрузки от частоты получим несколько отличное изменение частоты а именно такое, которое получится, если к изменению частоты в результате изменения напряжения прибавить еще сдвиг частоты вызванный изменением сопротивления нагрузки. Изменением частоты на величину приведет к изменению сопротивления нагрузки на величину

В комплексной плоскости в зависимости от вида схемы это изменение может происходить в любом направлении, например в направлении Но, как видно из нагрузочной характеристики генератора, изменение сопротивления на величину в направлении вызывает изменение частоты, равное

которое, складываясь с первоначальным изменением, дает

или

В зависимости от величины угла знаменатель этого выражения будет больше или меньше единицы. Это значит, что действительное изменение частоты вследствие противоположного действия сопротивления нагрузки либо уменьшится, либо, наоборот, увеличится. В первом случае схема стабилизирует частоту, во втором, наоборот, увеличивает ее изменение. При большом значении коэффициента или т. е. при сильной зависимости сопротивления нагрузки от частоты знаменатель в выражении (52.4) может приближаться к нулю. Если величина стремится к бесконечности, то это означает, что наступают перескоки частоты, т. е. генератор работает нестабильно.

Сказанное можно пояснить примере (рис. 62.2). Предположим, что к генератору через кабель длиной подключена антенна. с коэффициентом стоячей волны по напряжению, равным 1,3. Если длина кабеля очень велика по сравнению с длиной волны то частотной зависимостью сопротивления антенны сравнению с частотной зависимостью, вызываемой кабелем, можно пренебречь.

Рис. 52.2. Кабель, включенный между антенной и генератором. Если длина кабеля значительна, то его включение сказывается на работе генератора. При выбранном значении антенны из нагрузочных характеристик генератора можно рассчитать максимально допустимую длину кабеля, при которой генератор работает еще стабильно.

Рис. 52.3. Окружность, по которой перемещается точка, соответствующая входному сопротивлению кабеля, в случае малого изменения частоты нагрузки равен 1,3).

Значение сопротивления нагрузки, пересчитанное в отсчетную точку линии А, для которой можно построить нагрузочные характеристики генератора, с повышением частоты перемещается по часовой стрелке вдоль окружности К, соответствующей (рис. 52.3). Оно обойдет окружность К точно один раз, если частота увеличится на величину (здесь с — скорость распространения волны в кабеле, которая для простоты приравнивается к скорости света). Если при первоначальной частоте в кабеле укладывалось длин волн, то при частоте будет укладываться длин волн.

При таком изменении частоты значение сопротивления нагрузки в комплексной плоскости изменяется на величину, которая соответствует длине окружности (рис. 52.3). Таким образом,

Подставляя эту величину, а также значение , взятое из нагрузочной характеристики генератора (рис. 52.1), в выражение (52.4), получаем

При например, в зависимости от выбранного направления т. е. от положения точки сопротивления нагрузки на окружности постоянного рассогласования К, значение будет изменяться в пределах от

до

Если представляет собой изменение частоты при согласованной нагрузке, то в данном примере (при небольшом изменении длины линии или частоты (при этом сопротивление нагрузки, отнесенное к точке А, может соответствовать любой точке окружности на рис. 52.3) оно будет изменяться в пределах от до

При длине линии равной или более, и коэффициенте стоячей волны напряжению, равном 1,3, стабильный режим генератора невозможен.

Влияние сопротивления нагрузки на частоту колебаний, выдаваемых генератором, можно использовать для стабилизации, подключая к генератору сопротивление с большой частотной зависимостью.

Потери в схеме генератора и диапазон частот генератора с самовозбуждением

Особое значение имеет определение диапазона частот, в котором генератор с самовозбуждением можно настроить изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим кратко

данный вопрос. При этом ограничимся генераторами, у которых напряжение высокой частоты приложено только к одной паре электродов (к «им относятся, например, клистроны). В этом случае часть схемы, заключенная между электродами и точкой А (рис. 62.4), в которую пересчитывается изменяемое сопротивление нагрузки, представляет собой четырехполюсник.

Генератор возбуждается только на резонансной частоте всей схемы, т. е. на частоте, при которой сопротивление нагрузки трансформируется этим четырехполюсником в пространство дрейфа электронов в чисто активное сопротивление.

Рис. 52.4. Схема генератора с двумя высокочастотными электродами.

Рис. 52.5. Граничная окружность генератора.

Последнее не должно быть меньше некоторого минимального сопротивления, так как колебания в генераторе возможны только при условии, что это обусловливающее затухание сопротивление по своей величине больше, чем так называемое отрицательное сопротивление пространства дрейфа электронов. Четырехполюсник, включенный между пространством дрейфа и отсчетной точкой, всегда будет вносить более или менее значительные потери. Поэтому при любой частоте можно воспользоваться граничной окружностью (рис. 50.1).

Любое сопротивление нагрузки, подключаемое к генератору, будучи отнесенным к пространству дрейфа, трансформируется в сопротивление, значение которого лежит внутри окружности На рис. 52.5 такая граничная окружность изображена в плоскости полных проводимостей. Пусть будет предполагаемой величиной отрицательной проводимости пространства дрейфа электронов. Следовательно, генератор возбуждается только при такой нагрузке, трансформированная проводимость которой как установлено выше, является активной и меньшей, чем т. е. ее значение находится на отрезке

действительмой оси Между распйложенной на граничной окружности точкой и точкой

Если положение точки внутри граничной окружности известно, можно рассчитать, какая часть отдаваемой генератором активной мощности теряется в четырехполюснике, включенном между пространством дрейфа и точкой подключения сопротивления нагрузки. Поск». как правило, величины очень малы по сравнению со значением, определяемым второй точкой пересечения граничной окружности с действительной осью, то потери будут примерно такими же, как если бы четырехполюсник в качестве граничной окружности имел линию, параллельную мнимой оси, проходящую через точку В этом случае часть схемы четырехполюсника, учитывающую потери, можно заменить одной активной параллельно включенной проводимостью и для относительных потерь активной мощности записать следующее приближенное выражение:

Из последнего равенства следует, в частности, что относительные потери активной мощности в случае генераторов с малой отрицательной проводимостью значительны. Итак, положение граничной окружности имеет существенное значение.

Возможны также случаи, когда значение отрицательной проводимости генератора расположено вне граничной окружности. Тогда генерации на соответствующей частоте вообще не будет. Таким образом, теперь можно объяснить, почему генераторы с самовозбуждением настраиваются извне в ограниченном диапазоне частот; только в пределах этого диапазона край граничной окружности расположен настолько близко к мнимой оси, что значение проводимости меньше, чем Теперь становится ясным, что можно производить экспериментальные исследования схемы генератора на модели, лишенной катода и не требующей вакуума, которую, следовательно, легко "изменять. Эти исследования заключаются в том, что на нескольких частотах заданного диапазона определяют параметры четырехполюсника, включенного между пространством дрейфа электронов и точкой подключения сопротивления нагрузки (точка А), помещая между электродами различные диэлектрики и измеряя сопротивление, трансформированное

в точку А. Таким путем можно заранее определить величину ожидаемых в схеме генератора потерь и при необходимости изменить его конструкцию.