Автогенераторы ВЧ
Автогенераторы ВЧ (простые передатчики) могут иметь ламповые (рис. 3.2 в) и транзисторные (см. рис. 14.66 а) схемы. Теперь они встречаются довольно редко, чаще всего — в устройствах для дистанционного управления игрушками. Это простейшие системы, взаимодействующие только со сверхрегенеративными приемниками. Применяются схемы как однотактные, так и двухтактные.
Двухтактная схема должна быть симметрична как в электрическом отношении (что в любительских условиях трудно достижимо), так и в отношении механического монтажа. Правильно выполненный двухтактный генератор ВЧ обеспечивает без использования кварцевого резонатора стабильность рабочей частоты порядка 10—5 при сохранении стабильности напряжений питания в пределах ±1% и в интервале изменений температуры от 18 до 28°С. Единственным видом лампового передатчика, сохранившимся в любительских конструкциях до сих пор, является комбинированная схема — с транзисторным преобразователем. Схема такого передатчика и преобразователя (он может быть одновременно модулятором) приводится на рис. 3.2 а, в. В качестве трансформатора Тр1 можно использовать выходной трансформатор от радиовещательного приемника. Дроссель Др1 с индуктивностью 0,8—1,2 Г определяет вместе с конденсатором С1 (40—60 нФ) рабочую частоту 700—800 Гц. Если использовать другой выходной трансформатор от лампового приемника с сопротивлением первичной обмотки 5—8 кОм, то следует понизить напряжение питания до 1,5—4 В и уменьшить величину резистора R. Дроссель может быть намотан на ферритовом сердечнике сечением 8X8 мм или броневом — диаметром 47X32 мм. Обмотка содержит 1540 витков ПЭВ 0,1. Воздушный зазор (бумажная прокладка) — 0,065 мм. Можно также использовать дроссель с вдвое-втрое большей индуктивностью и с возможно большей добротностью Q. Причем, чем больше коэффициент β транзисторов, тем больше может быть индуктивность дросселя (этим улучшается стабильность) или меньше его добротность.
В качестве Т1 может работать любой транзистор n-p-n-типа, который имеет максимальный ток коллектора около 80 мА. Транзистор Т2 должен выдерживать нагрузку но току 1 А и иметь при этом токе β=10. Если применить транзистор Т2 с большим коэффициентом β, то можно увеличить величину резистора R (лучше всего включить последовательно с R потенциометр 200—500 Ом). При этом уменьшается потребление тока, т. е. возрастает КПД преобразователя.
Преобразователь (с потенциометром) подключают непосредственно к зажимам +А, —А, —Н и +Н передатчика, а вместо антенны в передатчике временно подсоединяют пробник с бесцокольной лампочкой, например, 6 В (0,5 А) между антенным гнездом и металлическим корпусом. Сопротивление потенциометра увеличивают до того момента, когда лампочка начнет слабо светиться. Тогда надо несколько уменьшить сопротивление потенциометра и после измерения впаять вместо него постоянный резистор.
Преобразователь может питаться от сухих батарей и обеспечивать выходное напряжение постоянного тока 90—100 В. От конденсатора С3 (1000 мкФ) можно отказаться, так как он только несколько повышает общий КПД преобразователя и увеличивает срок службы батареи.
Генераторы ВЧ с независимым возбуждением
Генераторы ВЧ с независимым возбуждением (сложные передатчики) представляют собой типовые схемы современных транзисторных передатчиков для дистанционного управления моделями. Задающий генератор ВЧ вырабатывает электрические колебания с рабочей частотой, например 27,12 МГц, которые непосредственно или через УВЧ управляют выходным каскадом усилителя мощности ВЧ передатчика. Задачей такого каскада является получение на выходе (в антенне) как можно большей мощности, которая наряду с другими факторами обусловливает радиус действия передатчика. Конечно, каскад усилителя мощности еще дополнительно усиливает сигнал, подаваемый от задающего генератора ВЧ.
От качества задающего генератора ВЧ зависит работа всего передатчика. Этот генератор должен вырабатывать возможно стабильные колебания ВЧ постоянной частоты и амплитуды. Стабильность частоты достигается применением кварцевых резонаторов
В схемах с кварцевой стабилизацией используются свойства пластинок кварца различных срезов, которые в зависимости от размеров имеют строго определенные частоты собственных колебаний, что, в свою очередь, обеспечивают стабильность рабочей частоты генератора ВЧ.
Кварцевый резонатор имеет две резонансные частоты — последовательного и параллельного резонанса,— расположенные близко друг к другу. Обычно кварц работает вблизи частоты параллельного резонанса.
Наилучших результатов добиваются, применяя так называемые обертонные кварцы, работающие на третьей гармонике.
По способу применения кварцевые резонаторы делятся на:
- впаянные — большая надежность, более высокая помехозащищенность в приемниках, а также более узкие междуканальные интервалы ВЧ;
- вставляемые — относительная простота изменения канала ВЧ;
- переключаемые — передатчик и приемник имеют микропереключатели для двух или трех впаянных кварцев.
Следует применять кварцы с большой активностью. Это можно предварительно проверить в приборе, показанном на рис. 13.2 в. В генераторе ВЧ в качестве нагрузки транзистора чаще всего включается колебательный контур, настроенный на частоту кварца (27,12 МГц). С этого контура напряжение ВЧ обычно подается через катушку связи на промежуточный или окончательный каскад усилителя мощности ВЧ.
Основной причиной неустойчивости амплитуды генерируемых колебаний являются, помимо колебаний напряжения питания, смещение рабочих точек и изменение параметров транзисторов вследствие колебаний температуры. Во избежание этого применяют стабилизацию рабочей точки транзистора путем включения резистора, зашунтированного конденсатором в его эмиттерную цепь, и делителя напряжения в цепь базы (резисторы делителя включают между базой «+» и «—» питания). Чем больше величина сопротивления резистора в эмиттере, тем лучше стабилизация, но при этом уменьшается амплитуда генерируемых колебаний. В устройствах заводского изготовления используют методы температурной стабилизации с помощью термисторов и других полупроводниковых элементов.
Связь генератора ВЧ с выходным каскадом усилителя мощности или усилителем ВЧ может быть индуктивной или емкостной. Первая более эффективна, она дает возможность лучшего согласования обоих каскадов (путем изменения числа витков), но ее труднее регулировать. Транзистор, работающий в генераторе ВЧ, должен иметь соответственно большую граничную частоту. Хорошую работу генератора ВЧ на частоте 27 МГц обеспечивает только транзистор с максимальной граничной частотой fT по меньшей мере 90—100 МГц, а лучше — 250—500 МГц. Транзисторы с меньшей граничной частотой должны включаться по схеме с общей базой, а с большей — по схеме с общим эмиттером.
Если кварцевый автогенератор непосредственно управляет выходным каскадом, то следует обратить внимание на допустимую мощность рассеивания транзистора, применяемого в задающем генераторе. Мощность рассеивания этого транзистора должна быть равна или ненамного меньше мощности рассеивания транзистора, используемого в выходном каскаде передатчика (чтобы не «заглох» автогенератор).
Выходной каскад должен обеспечить необходимую выходную мощность при наименьшем потреблении тока. Схема предназначена для преобразования энергии постоянного тока от источника питания в энергию тока ВЧ. Управляет этим преобразованием сигнал, вырабатываемый генератором ВЧ.
Приводимая в каталогах допустимая мощность рассеивания коллектора Рк.макс определяет, какой может быть максимальная мощность, выделяемая на коллекторе транзистора, без опасности его повреждения. Для подбора транзистора необходимо прежде всего знать мощность, теряемую в транзисторе, работающем в схеме, а также КПД каскада, который зависит прежде всего от режима работы усилителя (класс В или С). Каскады, работающие в классах В или С при закрытом транзисторе, не потребляют тока от источника питания, а при росте амплитуды управляющего сигнала от генератора ВЧ этот ток возрастает пропорционально. При работе в классах В и С ток течет в виде импульсов только в течение части периода (в классе В — через каждую вторую половину синусоиды, а в классе С усиливаются только вершины каждой второй синусоиды).
На практике КПД составляет около 60% в классе В и 75% в классе С. В среднем можно принять η=70%.
Имея, например, транзистор AF426 мощностью Рк.макс=50 мВт, можно при η=70% получить выходную мощность в мВт
Для транзистора П423 Рк.макс=100 мВт выходная мощность составит около 230 мВт.
Подводимую мощность Ро можно определить, зная напряжение U батареи и ток I, потребляемый каскадом усиления мощности:
Мощность, теряемая в транзисторе, Рс=Р0( 1—η).
Поскольку ток, получаемый на выходе выходного каскада, имеет импульсный характер, то резонансная цепь должна выделить из тока искаженной формы синусоидальную составляющую с частотой 27,12 МГц. Указанные выше значения КПД относятся, собственно говоря, именно к этой синусоидальной составляющей, выбранной резонансной цепью.
По какой схеме должен работать транзистор в каскаде усилителя мощности: по схеме с общей базой или с общим эмиттером?
Первая схема обеспечивает получение более высокой частоты, имеет очень малое входное сопротивление и большое входное. У второй схемы входное и выходное сопротивления близки. Поскольку обычно применяемые кремниевые транзисторы имеют достаточно высокую граничную частоту, то не обязательно применять схему с общей базой. Если схема с общей базой работает вблизи предельных значений (частоты, напряжения, мощности), то она склонна к самовозбуждению. Схема с общим эмиттером значительно более стабильна (влияние RC-элемента в эмиттере).
Для правильной работы кварцевого генератора в схемах с общей базой и общим эмиттером необходим ВЧ дроссель в цепи коллектора.
Если выходная мощность, получаемая с одного транзистора, недостаточна, то можно использовать параллельное или двухтактное включение двух транзисторов.
Желая увеличить мощность любого генератора ВЧ при отсутствии соответственно более мощного транзистора, можно использовать параллельное соединение двух, а в исключительных случаях трех-четырех однотипных транзисторов. Мощность возрастает с ростом числа используемых транзисторов. Однако надо добавить, что могут встретиться некоторые затруднения при настройке и регулировании такого генератора, вызываемые увеличенными междуэлектродными емкостями. Для усилителя с параллельно включенными транзисторами требуется удвоенная мощность возбуждения, чтобы ввести их в рабочий режим. Увеличение мощности возбудителя достигается повышением напряжения питания или же включением дополнительного усилителя мощности ВЧ между генератором ВЧ и выходным каскадом, иначе мощность возрастет только на 35—60%. Параллельно можно включать транзисторы только одного и того же типа с возможно более близкими параметрами. Лучше всего проверить транзисторы в работе, причем оба они должны иметь одинаковую температуру. Если дело обстоит иначе, то в эмиттерную цепь более разогретого транзистора следует включить резистор с сопротивлением в несколько ом.
Двухтактное соединение тоже увеличивает вдвое выходную мощность, и эта схема имеет то достоинство, что выходной ток сразу имеет синусоидальную форму. Кроме того, при идеально идентичных транзисторах в выходном сигнале нет четных гармоник. Следовательно, такая схема выгоднее, чем параллельное соединение транзисторов, но ее сложнее регулировать.
Транзисторы, работающие в выходных каскадах, должны иметь радиаторы — дополнительные охлаждающие поверхности. Не следует превышать допустимое напряжение коллектора (указанное для данного типа транзистора в справочной литературе). Максимальный ток коллектора можно несколько превысить, если одновременно не превышается мощность, допустимая для данного типа транзистора. Выходной каскад передатчика не должен быть перегружен по входу. Это достигается путем слабой или регулируемой связи с генератором ВЧ. Входное напряжение ВЧ не должно быть большим и по другим соображениям. Дело в том, что германиевые транзисторы ВЧ имеют допустимое обратное напряжение перехода база—эмиттер около 0,5 В. Превышение этого значения может повредить транзистор. Кремниевые транзисторы менее чувствительны к таким перегрузкам,так как имеют допустимое обратное напряжение база — эмиттер в пределах 5—7 В.
Транзистор, обладающий сравнительно малым выходным сопротивлением, шунтирует колебательную цепь, даже не будучи полностью открытым. Шунтирование можно уменьшить путем подключения транзистора не к концу, а к отводу из середины катушки выходного колебательного контура.
Обычные транзисторы позволяют без особых трудностей получать мощность ВЧ около 1—2 Вт. Однако если моделист пользуется передатчиком такой большой мощности, то это не характеризует его с хорошей стороны. Дело в том, что вместе с ростом мощности несущей частоты увеличивается также излучение гармоник. Большая выходная мощность ВЧ требует значительной мощности возбуждения, а это влечет увеличение потребления тока от источников питания (что связано с увеличением массы источников или сокращением времени их работы). Чтобы увеличить дальность действия вдвое, следует увеличить мощность передатчика в 4 раза. Следовательно, данный способ не оправдан. Правильным путем является тщательное согласование отдельных каскадов ВЧ в передатчике и приемнике вместе с антеннами, чтобы таким образом практически получить эффект, эквивалентный увеличению мощности ВЧ. Опыт показывает, что мощность передатчика 200—300 мВт вполне достаточна для управления моделью в пределах прямой видимости. Увеличение мощности до 0,5—1 Вт требуется только для надежной работы аппаратуры в условиях высокого уровня внешних помех со стороны других передающих радиоустройств.