проходная С_пр — емкость между анодом и управляю­щей сеткой.

Пример. Для триода С_Вх = С^_А, т. е. емкость между сеткой и като­дом; С_вых — Сак, т. е. емкость между анодом и катодом; С_пр = С_а^, т. е. емкость между анодом и сеткой.

В справочниках указываются значения «холодных» емко­стей. В работающей лампе значения «горячих» емкостей уве­личиваются примерно на 20—30%.

Типовые значения параметров приемно-усилительных ламп приведены в табл. 5.3.

Из других параметров электронных ламп большое значе­ние имеют следующие.

Коэффициент широкополосиости лампы

Коэффициент широкополосиости обычных усилительных ламп меньше единицы, а у специальных ламп для широко­полосного усиления равен 1—3 .

Эквивалентное сопротивление шумов лампы /?_шэ. Эквива­лентным сопротивлением шумов лампы называется такое со­противление, которое при включении в цепь сетки при ком­натной температуре создает в анодной цепи шумовой ток, равный шумовому току данной лампы.

Таблица 5.3

Типовые значения параметров приемио-усилительных ламп

Для триодов

/?шэ = ^2,5 7 ³ [кем]. (5.3)

Для пентодов и тетродов

где V? — крутизна характеристики;

I_ш2— анодный ток и ток экранирующей сетки в миллиамперах. Активное входное сопротивление лампы на СВЧ

/?_вч = аХ2 [ком], (5.5)

X — длина волны в м.

Максимальное сопротивление утечки в цепи первой сетки.

Величина этого сопротивления указывается в справочни­ках и определяется допустимым током сетки при отрицатель­ном сеточном напряжении. Обычно = 0,1-5-1 Мом.

7-93 177

5.4. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Электроннолучевыми трубками (ЭЛТ) принято называть большую группу электронных приборов, в которых исполь­зуется управляемый электрическими сигналами сфокусиро­ванный электронный луч (пучок).

В зависимости от назначения различают: электроннолуче­вые трубки для измерения физических величин и визуального наблюдения закономерностей электрических процессов — осциллографические трубки; электроннолучевые трубки для приема телевизионных изображений — кинескопы; проекцион­ные электроннолучевые трубки и ряд других специальных электроннолучевых трубок.

По способу фокусирования и отклонения электронного луча электроннолучевые трубки делятся на следующие основ­ные типы:

• с электростатическим фокусированием и отклонением луча;

• с магнитным фокусированием и отклонением луча;

• с комбинированной системой фокусирования и откло­нения электронного луча.

Электроннолучевые трубки с электростатическим управлением

Устройство и схема питания электроннолучевой трубки с электростатическим фокусированием и отклонением электрон­ного луча показаны на рис. 5.1. В трубке все электроды про­жектора изготовляются цилиндрической формы для получе-

Рис. 5.1. Устройство и схема питания трубки с элек­тростатическим фокусированием и электростатическим

отклонением электронного луча: / — катод; 2 — управляющий электрод (модулятор); 3 — первый анод прожектора; 4 — второй аиод прожектора: 5 —пластины вертикального отклонения луча; 6 — пластины горизонтального отклонения луча; 7 — графитовое покрытие; 8 — люминесци- рующнй экран

ния радиально-симметричного электрического поля, обеспечи­вающего наилучшие условия для фокусирования электронного пучка. Для уменьшения влияния поля пластин на фокусиров­ку каждая пластина электрически соединяется со вторым анодом прожектора через сопротивление утечки/?^5-т-7Мом.

Электроннолучевые трубки с магнитным управлением

7*

7

Рис. 5.2. Устройство и схема питания трубки с магнитным фокусированием и магнитным от­клонением электронного луча:

/ — катод; 2 — управляющий электрод (модулятор); 3 — анод прожектора (ускоряющий электрод); 4 — фокуси­рующая катушка; 5 — отклоняющие катушки; 6 — гра­фитовое покрытие — анод прожектора; 7 — люминесци- рующий экран

Трубки с магнитным управлением по сравнению с труб­ками с электростатическим управлением обладают следую­щими преимуществами:

• позволяют получить лучшую фокусировку луча при большей плотности тока в пучке;

• магнитное отклонение позволяет отклонять электрон­ный луч на больший угол, что обеспечивает применение уве­личенного экрана при относительно небольшой длине трубки;

• при помощи более простых устройств и схем можно получить радиально-круговую и спиральную развертки;

• более просты по устройству.

Однако необходимость иметь комплект фокусирующей и отклоняющих катушек, необходимость расхода энергии для создания фокусирующего и отклоняющего магнитных полей, а также ограниченные возможности применения магнитных трубок для исследования быстро изменяющихся электриче­ских процессов вследствие влияния индуктивности отклоняю­щих катушек являются существенными недостатками осцил- лографических трубок с магнитным управлением по сравне­нию с трубками с электростатическим управлением.

Модуляционная характеристика электроннолучевой

трубки

Модуляционной характеристикой электроннолучевой труб­ки называется зависимость тока луча от напряжения на управляющем электроде (модуляторе) при постоянных на­пряжениях на остальных электродах.

Запирающее напряжение — величина отрицательного на­пряжения на управляющем электроде (модуляторе), при ко­тором ток луча становится равным нулю.

Яркость свечения экрана

Яркость свечения экрана подсчитывается по формуле

в=А?_я{и-и₀у, (5.6)

где ^_л—плотность тока луча;

0—разность потенциалов между катодом и экраном;

1/₀—минимальная разность потенциалов между като­дом и экраном, при которой возникает свечение экрана;

А—постоянная, зависящая от физических свойств лю­минофора;

п= 1-4-2 для применяемых технических люминофоров.

Управление яркостью практически всегда осуществляется изменением /_л посредством изменения напряжения на управ­ляющем электроде (рис. 5.1 и 5.2, регулировка «яркость»).

Основные параметры электроннолучевых трубок

1. Электрические величины, определяющие типовые и пре­дельные рабочие режимы.

2. Диаметр или диагональ экрана. В условном обозна­чении типов трубок указывается в сантиметрах первым эле­ментом.

3. Время послесвечения — время, в течение которого яр­кость свечения экрана после прекращения возбуждения уменьшается до одного процента от начального значения. По времени послесвечения люминофоры, из которых изготовля­ются экраны трубок, делятся на пять групп:

• очень короткое послесвечение — менее 10 мксек;

• короткое послесвечение—10 мксек + 0,01 сек\

• среднее послесвечение — 0,01 -г-0,1 сек\

• длительное послесвечение — 0,1 —16 сек;

• очень длительное послесвечение—более 16 сек,

4. Цвет свечения. Цвет свечения и время послесвечения указываются четвертым элементом условного обозначения ти­пов трубок — буквами. Значение букв:

А — цвет свечения синий, время послесвечения короткое;

Б — цвет свечения белый, время послесвечения короткое или среднее;

В — экран двухслойный, свечение белое, послесвечение желтое, время послесвечения длительное;

Г — цвет свечения фиолетовый, время послесвечения очень длительное;

Д — цвет свечения голубой, цвет послесвечения зеленый, время послесвечения длительное;

Е — двухцветные экраны на перемещающихся полосах (1-я полоса — цвет свечения оранжевый и 2-я полоса — цвет свечения зеленый), время послесвечения длительное;

Ж—цвет свечения голубой, очень короткое послесве­чение;

И — цвет свечения зеленый, время послесвечения среднее;

К — цвет свечения розовый (оранжевый), время послесве­чения длительное;

М — цвет свечения голубой, время послесвечения ко­роткое.

5. Чувствительность трубки. Чувствительность трубок с электростатическим управлением — это величина смещения пятна на экране при подведении к данной паре отклоняющих пластин напряжения, равного одному вольту. Измеряется

мм

в .

в

Для плоскопараллельных пластин чувствительность мож­но приближенно подсчитать по формуле

где С/_а2 — напряжение на втором аноде прожектора в в\ — длина пластин в мм\ (I — расстояние между пластинами в мм; 1_г — расстояние от экрана до пластин в мм,

В справочниках указывается чувствительность трубки по каждой паре отклоняющих пластин. Обычно Л' = 0,1-^0,8

Чувствительность трубок с магнитным управлением — это величина смещения пятна на экране, создаваемого одним ам-

мм _л.

пер-витком отклоняющей катушки, измеряется в . Чув­ствительность магнитных трубок определяется эксперимен­тально и в справочниках не указывается, так как она зависит от параметров отклоняющих катушек.

Трубки с записью темной строкой — скиатроны

Эти трубки представляют собой разновидность электрон­нолучевых трубок, в которых люминесцирующий экран заме­нен экраном, состоящим из кристаллов хлористого калия или хлористого натрия. При возбуждении такого экрана элек­тронным пучком возникает не световое, а темное пятно или темный след.

При температуре около 300°К темное пятно или след на экране трубки после прекращения возбуждения может со­храняться длительное время — дни, недели. Для обесцвечива­ния экрана (стирания записи) в течение нескольких секунд или минут его нагревают или подвергают сильному внешнему освещению.

Знакопечатающие индикаторные электроннолучевые трубки — характроны

Эти трубки позволяют высвечивать на люминесцирующем экране буквы, цифры и другие знаки при помощи электрон­ного луча. Для этого поперечному сечению пучка электронов задается форма того символа, который необходимо записать, вследствие чего электронный пучок, падая на люминесцирую­щий экран, как бы печатает на нем требуемые знаки.

Устройство характрона схематически показано на рис. 5.3. Особенность устройства этой трубки по сравнению с осцил^о- графической трубкой — наличие матрицы (металлической пластины с отверстиями), выбирающих и компенсирующих пластин. Электронный луч после прохождения через выбран­ное отверстие в матрице при помощи компенсирующих пла­стин возвращается на ось трубки и затем магнитным полем адресной системы отклоняется в требуемую точку экрана, где высвечивается выбранный на матрице знак. Число и вид этих знаков зависит от числа и формы отверстий в матрице. В вы­пускаемых промышленностью характронах матрица имеет

63 различных знака. Скорость записи в характронах дости­гает до 20 000 знаков в секунду.

Знаковая электроннолучевая трубка — тайпотрон

Тайпотрон представляет собой вариант характрона с за­поминанием знаковой информации на экране. Формирование и выбор знаков на матрице в тайпотроне производятся так же, как и в характроне. Основное отличие тайпотрона от ха­рактрона — наличие специального запоминающего устрой­ства, позволяющего запоминать записанный знак на экране длительное время (знаковые электроннолучевые трубки опи­саны в книге: И. Е. Соловейчик, П. М. Анищенко. Знаковая индикация и ее применение в современных радиоэлектронных системах. Изд. «Сов. радио», 1959).

Потенциал оскопы

Потенциалоскопами называются специальные электронно­лучевые трубки, применяемые для записи, хранения и воспро­изведения электрических сигналов, записанных на диэлектри­ческой мишени.

Запись электрических сигналов на диэлектрической ми­шени электронным пучком основана на использовании явле­ния вторичной электронной эмиссии.

Существенная особенность устройства потенцналоскопов по сравнению с осциллографическими трубками — наличие диэлектрической мишени, нанесенной в виде тонкого слоя на проводящее основание (сигнальную пластину) вместо люми- несцирующего экрана.

В настоящее время широко применяется потенциалоскоп с барьерной сеткой или вычитающий потенциалоскоп, схема устройства которого показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схема устройства потенциалоскопа с барьерной сеткой:

/ — катод; 2 — управляющий электрод; 3 — первый аиод прожектора; 4 — второй анод прожектора; 5 — отклоняющие катушки; 6 — коллектор; 7 — экранирующая сетка; 8 — барьерная сетка; 9 — диэлектрическая мишень;

10 — сигнальная пластина

Фокусирование и отклонение электронного луча в вычи­тающих потенциалоскопах могут быть электростатическими или магнитными. Развертка поверхности мишени электрон­ным пучком может быть растровой (типа телевизионной) или спиральной.

Рабочий режим вычитающего потенци'алоскопа выби­рается так, чтобы коэффициент вторичной эмиссии о=~-

(где /1 — ток первичного электронного пучка, /₂ — ток вто­ричных электронов, выбиваемых с мишени) был больше еди­ницы. В этом режиме входные электрические сигналы, под­лежащие записи на диэлектрической мишени, подводятся к сигнальной пластине, а нагрузочное сопротивление /?_н, с ко­торого снимаются выходные сигналы при считывании элек­тронным пучком ранее записанных сигналов, включается в цепь коллектора, барьерной сетки или сигнальной пла­стины.

При отсутствии входных сигналов поверхность диэлектри­ческой мишени под действием электронного пучка приобре­тает избыточный положительный заряд. Это сопровождается повышением потенциала поверхности мишени относительно барьерной сетки и возникновением в промежутке «барьерная сетка — мишень» тормозящего электрического поля для вто­ричных электронов. Вследствие этого ток вторичных электро­нов с мишени уменьшается.

Повышение потенциала поверхности мишени под дейст­вием электронного пучка происходит до установления дина­мического равновесия, при котором ток вторичных электро­нов, уходящих с мишени, становится равным току первичных электронов в пучке. Это значение потенциала поверхности мишени в состоянии динамического равновесия называется равновесным и обозначается (/_р.

Таким образом, в динамическом равновесии потенциалы всех элементов поверхности мишени достигают значения (У_р, положительного относительно барьерной сетки (потенциалы барьерной сетки и сигнальной пластины одинаковы и равны нулю). При этом ток в цепи коллектора /_кол постоянен и вы­ходной сигнал (Лш_Х = 0.

При подаче входных сигналов изменяется электрическое поле в пространстве «барьерная сетка — мишень». Если вход­ной сигнал положительный, то тормозящее электрическое поле для вторичных электронов в пространстве «барьерная сетка — мишень» возрастает, коллекторный ток уменьшается и на сопротивлении в цепи коллектора возникает положи­тельный сигнал, пропорциональный амплитуде входного сиг­нала (этот выходной сигнал, получающийся на нагрузке во время действия входного сигнала 1У_ВХ, называется сигналом записи (/_зап). При этом за время действия входного сигнала потенциалы точек поверхности мишени, развертываемых электронным пучком, понижаются по сравнению с значе­нием 1У_Р — происходит запись на мишени положительного входного сигнала (рис. 5.5, а).

Если к сигнальной пластине подвести входной сигнал от­рицательной полярности, то тормозящее поле для вторичных электронов в пространстве «барьерная сетка — мишень» уменьшается, коллекторный ток увеличивается и на сопро­тивлении /?„ возникает отрицательный выходной сигнал. При этом за время действия отрицательного входного сигнала по­тенциалы точек поверхности мишени, развертываемых элек­тронным пучком, повышаются относительно значения — на мишени происходит запись отрицательного входного сигнала (рис. 5.5,а).

Таким образом, подведение к сигнальной пластине вход­ных сигналов приводит к изменению распределения потен­циала вдоль развертки мишени электронным пучком — на мишени возникает так называемый потенциальный рельеф (рис. 5.5,6).

Воспроизведение или считывание записанных на мишени сигналов производится электронным пучком при повторном его движении по участкам поверхности мишени, на которых произведена запись. Если при считывании входные сигналы

I

Стропа развертки

Потенциальный рельеф

щ

,-т*

Движение считывающего луча

Рис. 5.5. Изменение потенциала поверхности ди­электрической мишени под действием электрон­ного пучка:

а — распределение потенциала на поверхности мишени пгн записи кратковременных импульсных сигналов ({/р — равновесное значение потенциала; а'б' — запись положительного входного сигнала; в'г'— запись отри­цательного входного сигнала); б—запись на мишени сложного сигнала; в — изменение потенциала мишени при считывании записанных сигналов (потенциального рельефа) электронным пучком

отсутствуют, то в процессе считывания потенциалы поверх­ности мишени электронным пучком вновь доводятся (смеща­ются) до равновесного значения (рис. 5.5,в). При этом потенциальный рельеф промодулирует вторичноэмиссионный ток коллектора — количество вторичных электронов, улавли­ваемых коллектором, будет изменяться в соответствии с рас­пределением потенциала на мишени вдоль развертки. Вслед­ствие этого в выходной цепи потенциалоскопа на нагрузочном сопротивлении /?_н возникают сигналы, соответствующие ра­нее записанным (эти выходные сигналы называются сигна­

лами чтения 11_сп). Полярность сигналов чтения противопо­ложна полярности записанных входных сигналов. Если вы­ходные сигналы снимаются с нагрузки в цепи барьерной сет­ки или сигнальной пластины, то их полярность совпадает с полярностью ранее записанных входных сигналов, но при та­ком способе снятия выходных сигналов приходится применять специальный способ частотного разделения входных и выход­ных сигналов.

При считывании записан­ных сигналов одновременно происходит стирание потен­циального рельефа. Следова­тельно, при последующей раз­вертке мишени электронным пучком можно произвести но­вую запись входных сигналов и затем новое их считывание.

Потенциалоскоп с барьер­ной сеткой наиболее часто при­меняется как вычитающее уст­ройство. Принцип вычитания сигналов поясняется рис. 5.6, где «вх1 — входной сигнал по­ложительной полярности, под­водимый к сигнальной пласти­не в момент времени /1; и\_зап— выходной сигнал, снимаемый с _Рис. ₅.₆. _Эпюры, поясняющие нагрузочного сопротивления/?_н принцип вычитания сигналов по­при записи и_вх\\ и\_сп— выход- тенциалоскопом ной сигнал, снимаемый с со­противления /?_н в момент времени /2 = ^1 + ^ при считывании ранее записанного сигнала (Т_р — период развертки мишени); "вх2 — входной сигнал положительной полярности, подводи­мый к сигнальной пластине в момент времени = + "2зап — выходной сигнал, снимаемый с /?_н при записи и_вх2; "вых = "1сп — "2зап — разностный результирующий выходной сигнал, снимаемый с сопротивления /?_н в момент времени *2 = *х + Т_р.

Если бы потенциалоскоп был идеальным вычитающим устройством, то при подведении на его вход периодически по­вторяющихся неизменных по амплитуде и полярности сигна­лов происходило бы полное их вычитание, начиная со второго периода развертки.

<9Л1

Основные параметры вычитающих потенциалоскопов

Коэффициент перезаряда т]. Коэффициентом перезаряда (коэффициентом первого остатка) называется отношение ам­плитуд второго 1?2сп и первого 1!\с_п сигналов чтения при по­даче на вход потенциа/юскона (к сигнальной пластине) па­чек синусоидального напряжения рабочей амплитуды. Изме­ряется т] в %, т. е.

Ч = ООо/₀.

с'1сп

Коэффициент подавления мишени Р_м. Коэффициентом по­давления мишени (коэффициентом засева) называется отно­шение амплитуды первого выходного сигнала записи С^ап к амплитуде установившегося остаточного выходного сигна­ла 11₀ при подаче на вход потенциалоскопа пачек синусои­дальных сигналов рабочей амплитуды, т. е.

Р ^Лзап

^м~ 1/о '

Динамический диапазон О. Динамическим диапазоном на­зывается отношение суммы выходных сигналов записи 11\_зап и чтения 1/\сп к полному размаху напряжения собственных помех потенциалоскопа 2{/_Пмакс при подаче на вход потен­циалоскопа пачек синусоидальных сигналов рабочей ампли­туды, т. е.

Шп макс

При заданных типовом рабочем режиме потенциалоскопа и рабочей амплитуде входных сигналов т), Р_м, й и ток выход­ного сигнала /_с зависят от постоянной составляющей тока коллектора /_ко (от тока луча). Характер этой зависимости по­казан на рис. 5.7. Используя за­висимость т), Р_м, О и /_с от тока луча, в каждом конкретном слу­чае применения вычитающего потенциалоскопа можно вы­брать оптимальный режим вычи­тания.

5.5. ИОННЫЕ ИЛИ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Рис. 5.7. Зависимость основ­ных параметров вычитаю­щего потенциалоскопа от тока луча при постоянных параметрах входного сиг­нала (СУвх=СОП51)

ров, основным физическим процессом в которых является прохождение электрического тока через газоразрядный про­межуток.

В отличие от вакуумных электронных приборов в ионных приборах ток создается движением электронов, а также по­ложительных и отрицательных ионов. При прохождении тока через ионный прибор медленно перемещающиеся положи­тельные ионы своим электрическим полем компенсируют поле отрицательного пространственного заряда электронов, вслед­ствие чего внутреннее сопротивление газоразрядного прибора получается очень малым. Это позволяет в газоразрядных при­борах при небольших напряжениях, прикладываемых к при­бору, получить большие разрядные токи.

Газовым наполнением ионных приборов обычно являются инертные газы (гелий, аргон, неон, криптон, ксенон) или пары ртути. Некоторые типы ионных приборов заполняются водо­родом или смесью из нескольких инертных газов.

Плотность газа или паров ртути, которыми заполнен при­бор, существенно влияет на условия прохождения электри­ческого тока через прибор. В газонаполненных приборах давление газа большей частью не превосходит десятых до­лей мм рт. ст. В некоторых приборах оно достигает десят­ков мм рт. ст. и даже нескольких атмосфер.

По виду электрического разряда ионные приборы делятся на две основные группы:

• приборы несамостоятельного разряда;

• приборы самостоятельного разряда.

В приборах несамостоятельного разряда эмиссия электро­нов с катода, необходимая для существования разрядного тока, создается нагревом катода внешним источником тока (термоэлектронная эмиссия) или воздействием на поверх­ность катода и объем газа квантов лучистой энергии (фото­электронная эмиссия). В приборах самостоятельного разряда эмиссия электронов с катода вызывается бомбардировкой поверхности катода положительными ионами, приходящими к катоду из разрядного промежутка.

В радиолокации применяется большое число различных типов ионных приборов несамостоятельного и самостоятель­ного -разрядов: газотроны, тиратроны, стабилитроны, ионные разрядники, газосветные лампы, де$<атроны, цифротроны и другие приборы.

Газотроны — газонаполненные двухэлектродные лампы с накаливаемым катодом. Применяются для выпрямления то­ков промышленной частоты. Разряд в газотронах несамостоя­тельный, по характеру — дуговой.

Тиратроны — это трех- или четырехэлектродные газона­полненные приборы. Существуют тиратроны с накаливаемым катодом (использующие несамостоятельный дуговой разряд) и с холодным катодом (использующие самостоятельный тлею­щий разряд). Сетки в тиратронах предназначены только для управления зажиганием, так как после возникновения раз­ряда напряжение на сетках практически не влияет на вели­чину анодного тока. Поэтому такие приборы можно исполь­зовать только в различных ключевых схемах или схемах вы­прямителей с плавной регулировкой величины выпрямленного тока.

Стабилитроны (стабиловольты) —двухэлектродные при­боры самостоятельного разряда, используемые для стабили­зации напряжений в цепях постоянного тока. Существуют стабилитроны тлеющего разряда (напряжение стабилизации ^стаб = 75—150 в), и коронного разряда (^_СТаб = 1000— 10 000 в).

Декатроны — многоэлектродные газонаполненные прибо­ры тлеющего разряда, предназначенные для счета электриче­ских импульсов в десятичной системе счисления. По способу переноса разряда с одного разрядного промежутка на другой декатроны делятся на двухимпульсные и одноимпульсные, а по выполняемым функциям — на счетные и коммутаторные.

Цифротроны — индикаторные лампы тлеющего разряда для отображения различной информации в виде высвечивае­мых цифр.

Основные характеристики и параметры ионных приборов

В зависимости от конструктивных особенностей и назна­чения ионного прибора его свойства определяются различны­ми характеристиками и параметрами. Здесь приводятся толь­ко некоторые из этих параметров, выражающие наиболее об­щие свойства ионных приборов.

Потенциал зажигания — это напряжение на электро­дах газоразрядного промежутка, при котором возникает са­мостоятельный разряд. Величина этого напряжения опреде­ляется по эмпирической формуле

⁼ ^^ион соп§{ + 1п (рг) » (⁵-⁸)

где (У_ион — ионизационный потенциал данного газа; р — давление газа; г—расстояние между электродами; сопз!— постоянная для данного газа.

Вид функции Иъ=\(рг) показан на рис. 5.8. Как видно из этого рисунка, подбирая величину произведения рг и состав газа, при конструировании прибора можно установить тре­буемую величину (У₃, являющуюся основным параметром ион­ных приборов.

В рабочей схеме в зависимости от величины разрядного тока и температуры окружающей среды давление р внутри прибора не остается постоянным, что приводит к измене­нию

Напряжение горения и_г— разность потенциалов между анодом и катодом, возникающая при прохождении уста­новившегося разрядного тока. 11_г всегда меньше 11₃. Для ртутных приборов 10—20 в\ для приборов, наполненных инертными газами и водородом, 1)_т может достигать десят­ков и сотен вольт.

100

0 5 10 15 20 25 Ргмнртстн*

Рис. 5.8. Зависимость напряжения зажигания некоторых газов и смесей газов от произве­дения рг

Время развития разряда /_ра3в — время, в течение которого происходит установление тока в разрядном промежутке после приложения к его электродам напряжения. Это время ко­леблется в пределах от нескольких тысячных микросекунды до одной миллисекунды. Следовательно, ионные приборы во многих случаях применения должны рассматриваться как инерционные приборы.

Электрическими параметрами газоразрядных приборов яв­ляются максимальные и средние токи, рабочие и максималь­но допустимые напряжения, предельные рабочие частоты, ве­личины ограничительных сопротивлений в цепях электродов, стабилизируемые напряжения и другие величины.

5.6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды

Полупроводниковые диоды по конструкции своей основ­ной рабочей части (область контакта электронного и дыроч­ного полупроводников, которую принято называть электрон­но-дырочным или р-я-переходом) делятся на две группы: точечные и плоскостные. Большинство диодов изготовляется на основе германия или кремния путем введения в монокри­сталл строго определенных количеств примесей других эле­ментов, меняющих характер проводимости. Германий или кремний с примесью трехвалентных элементов (акцепторные примеси) обладает дырочной проводимостью (р-типа). Если в качестве примеси использовать пятивалентные элементы (донорные примеси), то характер проводимости будет элек­тронный (я-типа).

По технологии изготовления р-д-перехода полупроводни­ковые диоды плоскостного типа разделяют на сплавные, диф­фузионные и «тянутые».

Величина тока через р-д-переход при постоянной темпе­ратуре зависит от величины и полярности приложенного на­пряжения:

/ = /„(^-0, (5.9)

где / — величина протекающего тока;

= 1,6- 10~¹⁰/г — заряд электрона;

к = 8,7 • 10~⁵ постоянная Больцмана;

Т—температура перехода в °К; е^2,73 — основание натуральных логарифмов;

/₀ — обратный ток диода, который получается при приложении некоторого внешнего на­пряжения минусом к р-области полупро­водника, а плюсом к д-области (/₀ назы­вается еще обратным током насыщения);

V — величина приложенного напряжения.

Графически эта зависимость для диода представляется вольтамперной характеристикой (рис. 5.9).

Как видно из графика, диод является нелинейным эле­ментом электрической цепи.

Прямое и обратное сопротивления его резко различны. Величина тока /₀ зависит от температуры. Для диодов из гер­мания обратный ток удваивается на каждые 9—12° С повы­шения температуры; для кремниевых — на каждые 6—8,5° С.

При достаточно больших С₀б_Р наблюдается резкий рост обратного тока. Увеличение обратного тока обусловлено воз­никновением теплового или электрических пробоев. Если при этом ток не ограничить, то диод выходит из строя.

Кроме активного сопротивления, р-м-переход (диод) об­ладает емкостью, величина которой зависит от исходного ма­териала (германий или кремний), концентрации примесей

Рис. 5.10. Зависимость величины емкости полупроводникового диода от величины приложенного напряжения

(толщины р-д-перехода), площади перехода и приложенного напряжения. Характер зависимости величины емкости от при­ложенного напряжения показан на рис. 5.10.

По частотным свойствам диоды разделяют на три группы:

• низкочастотные (выпрямительные или силовые);

• высокочастотные (универсальные и импульсные);

• сверхвысокочастотные.

Внутри каждой группы полупроводниковые диоды разде­ляют по назначению, как показано на рис. 5.11.

Свойства первых двух групп диодов характеризуют та­кими основными параметрами:

/обр [мка] — обратный ток при некоторой величине обрат­ного напряжения; для кремниевых диодов величина /₀бр, как правило, значительно меньше, чем для однотипных герма­ниевых;

Ущ) [⁰] — прямое падение напряжения на диоде при номи­нальном токе; для германиевых диодов 1/п_Р = (0,3-ь0,5) в; для кремниевых (0,8^-1,5) в;

Рис. 5.11. Классификация полупроводниковых диодов по их назначению

С [пф] — емкость диода при подаче на него некоторого об* ратного напряжения;

/макс [Мгц] — максимальная частота, до которой возможна работа без снижения выпрямленного тока;

1}маис М — пробивное напряжение при заданной темпера­туре;

Д/°— рабочий диапазон температур; для германиевых диодов Д/°=(—60-^+70)°С, для кремниевых Д/°=(—60-ь ~ + 120)°С.

Значения параметров, указываемые в справочниках, явля­ются усредненными, а разброс их от образца к образцу мо­жет быть значительным. Поэтому при необходимости вклю­чать диоды параллельно или последовательно следует произ­водить их подбор и включать выравнивающие сопротив­ления.

• Основными параметрами сверхвысокочастотных диодов являются:

• рабочая длина волны X [см]\

• потери преобразования

подаваемая мощность на частоте сигнала \дб\' ~ ^& выходная мощность на промежуточной частоте

обычно они составляют 6,5—8,5 дб;

_п 'выпр Г а ]

• чувствительность по току Р = —влГг современ-

л ^а

ных диодов она достигает 4 — и зависит от величины по­стоянного положительного смещения, оптимальная величина которого для кремниевых диодов 0,1—0,2 в, для германиевых 0,3—0,4 в\

• относительная температура шума — отношение мощ­ности шума, создаваемого диодом, к мощности теплового шума омического сопротивления, равного выходному сопро­тивлению диода, находящегося при Г = 293°К; обычно 1_Ш = = 2-3.

Специальные типы полупроводниковых диодов

Опорные диоды (стабилитроны). При достаточно боль-

„ / ,, _1Л|0 атомов \ ших концентрациях примесеи( 10^,э——_ъ— ) в каждой из

областей полупроводника толщина р-д-перехода получается малой (до 5«Ю^-6 см). При этом могут иметь место обрати­мые виды электрического пробоя р-д-перехода— лавинный и зеиеровский. Ток на участке пробоя может изменяться в ши­роких пределах практически при неизменном напряжении (/«Ш²³).

Вольтамперная характеристика такого диода приведена на рис. 5.12.

Стабилитроны изготавливаются на основе кремния. Основ­ные их параметры:

Яд —ж [ом]'

динамическое сопротивление;

¹ст макс -М-Шма Iобр, на

У обр*⁶

Упр*

0 0,25 0,5 0,15 10 ^пр ^стиин''⁰»¹-⁵"**

Рис. 5.12. Вольтамперная характеристика крем­ниевого стабилитрона

ТКН = —— • 100%/град — температурный коэффи­циент напряжения стабилизации; для большинства диодов ТКН= (0,2ч-0,05) %/град:

/ст.мин*» /ст.макс — минимальный и максимальный токи ста­билизации; обычно /_ст. мин— (0,1 -5- 10) ма\ /_{гт М}акс~(30 ма~ ч-единиц ампер).

Туннельные диоды. При очень высоких концентрациях примесей в каждой из областей кристалла (10¹⁹—10²¹ слг³) толщина р-д-перехода получается очень малой (й«10~⁶ см). На таком тонком переходе уже при небольших внешних на­пряжениях возникает значительная напряженность поля (Е > 10⁵ в/см). Большая напряженность поля и малая тол­щина перехода приводят к тому, что носители тока могут просачиваться сквозь энергетический барьер на переходе практически без затраты энергии. Это явление называется

туннельным эффектом. Вид вольтамперной характеристики такого диода показан на рис. 5.13.

При незначительном увеличении прямого напряжения (до 60—200 мв) туннельный ток диода вначале возрастает (участок характеристики Оа), а затем уменьшается вследст­вие уменьшения количества свободных энергетических уров­ней р-области, на которые могут переходить электроны «-об­ласти за счет туннельного эффекта (участок аб). При даль­нейшем повышении прикладываемого напряжения ток через диод снова возрастает, но за счет роста обычного диф­фузионного тока. При об­ратном смещении ток моно­тонно и быстро нарастает до предельно допустимых значений.

Величина туннельного то­ка /макс сильно зависит от площади перехода. Для со­временных ДИОДОВ /_Макс~ «(0,1-^50) ма. Для герма­ниевых диодов отношение

токов = 12—14, а для

'мин

диодов из арсенида галлия до 40.

Благодаря наличию па­дающего участка на вольт- амперной характеристике (где /?,<0) они могут ис­пользоваться для усиления и генерирования колебаний (до частот 10¹⁰ гц) или ис­пользоваться в быстродействующих переключающих схемах (скорость переключения до 1—2 нсек). Туннельные диоды могут работать в очень широком интервале температур (4-7-600° К) и больших уровнях радиации. Недостатком этих диодов является малая воспроизводимость параметров при изготовлении. Кроме того, для обеспечения их работы на СВЧ площадь перехода приходится делать очень малой

(<5*^50 мк²) из-за большой удельной емкости

стика туннельного диода

циальные типы диодов, которые называют параметрическими. Такие диоды изготавливаются из кремния, германия и арсе- нида галлия; конструктивно они могут быть точечными или плоскостными. Принципиально важно, чтобы величина емко­сти диода С₀ обеспечивала возможность настройки контура в резонанс, а изменение полной емкости контура ДС при малых амплитудах управляющего напряжения давало воз­можность получить достаточно высокие коэффициенты моду-

Зависимость изменения емкости диода от изменения на­пряжения, определяемую структурой перехода, желательно иметь близкой к линейной. При этом вносимое диодом в ре­зонансную систему сопротивление потерь должно быть минимальным, чтобы можно было получить большее усиле­ние и меньший уровень шумов. Уменьшение достигается увеличением концентрации донорных примесей, а также введением специальных примесей (золото, серебро, никель). В настоящее время используются диоды, у которых С₀«0,5н- + 2 пф\ 1н-5 ом\ т = 0,2ч-0,6; /макс > Ю ' Ггц, что дает возможность получить в 3-см диапазоне усиление до 20 — 35 дб при коэффициентах шума 1,5—2,5 дб.

Фотодиоды

Фотодиоды предназначены для преобразования световых сигналов в электрические. Наиболее широко применяются германиевые фотодиоды. Они могут работать в двух ре­жимах:

а) При отсутствии внешнего источника напряжения. В этом режиме фотодиод работает как вентильный фотоэле­мент. Собственная э. д. с. достигает 60—90 мв_у наибольший ток до 100 мка (при освещенности 7000 лк и /?_Н=Ю00 ом). Режим характеризуется малым уровнем шумов и его целе­сообразно использовать при фиксировании слабых световых потоков и низкой частоте следования световых импульсов (Рг до 10 кгц).

б) При наличии внешнего обратного напряжения. Это так называемый фотодиодный режим. При этом рабочий пе­репад напряжения на нагрузке равен разности падений на­пряжения при темновом токе (обратный ток диода /_Темн = = 5 ч-50 мка) и токе при освещении диода (/_Макс<1 ма). Рабочие напряжения источников питания берутся равными

З-г-ЗО в. Интегральная чувствительность достигает ж 50-^-. Максимум спектральной чувствительности соот­ветствует длине волны Х=1,5 мк. Предельная частота повто­рения световых импульсов до 100 кгц.

Переключающие диоды (тиристоры). Переключающие диоды имеют четырехслойную структуру р-п-р-п. В основе переключающего действия этой структуры лежит зависи­мость коэффициентов усиления по току «составляющих» транзисторов от электрического режима. Большинство тири­сторов изготовляется на основе кремния путем сплавления, диффузии или сочетанием обоих способов. Вольтамперная характеристика таких диодов имеет вид, показанный на

рис. 5.14 сплошной кривой. Вследствие наличия участка вольтамперной характеристики с отрицательным сопротив­лением (участок аб) они могут использоваться в различных схемах автоматики, вычислительной техники и др. как клю­чевые элементы. Время включения и выключения может быть доведено до 10 нсек.

Изготовляются также диоды с управляющим электродом. При этом делается третий вывод от одной из внутренних об­ластей структуры. Изменением напряжения на этом элек­троде можно изменить напряжение переключения, как это показано на рис. 5.14 пунктирной кривой.

Численные значения параметров современных переклю­чающих диодов приведены на графике вольтамперной ха­рактеристики.

5.7. ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор представляет собой систему двух близко рас­положенных электронно-дырочных переходов в монокристал­ле полупроводника.

В настоящее время изготовляют только плоскостные гер­маниевые и кремниевые транзисторы. Переходы в них соз­даются методом диффузии или сплавления, а также путем

Зииттер \

—О о—\ п Коллектор I

I

\База О база

< > База

6 Ваза

Рис. 5.15. Устройство и условные изображения транзисторов:,

/ — кристалл полупроводника; 2 — эмиттер; 3 — крнсталлодержатель (вывод базы); 4 — внутренний вывод эмиттера; 5 — внешний вывод эмиттера; 6 — вывод базы; 7 — внешний вывод коллектора; 8 — внут­ренний вывод коллектора; 9 — металлический корпус; /0 — стеклянный

изолятор

сочетания этих двух методов или методом вытягивания из расплава. В соответствии с этим различают сплавные, диф­фузионные, «тянутые» транзисторы.

Чередование областей разнотипной проводимости моно­кристалла полупроводника может быть как р-п-р, так и п-р-п. Устройство и условные изображения транзисторов на прин­ципиальных схемах показаны на рис. 5.15.

Левую область кристалла (рис. 5.15) называют эмитте­ром, среднюю — базой или основанием, а правую—коллек­тором.

При усилении электрических колебаний на переход между эмиттером и базой подается напряжение смещения в прямом направлении от источника Е_э (десятые доли вольта), а на коллекторный переход по­дается напряжение от ис­точника Е_к (до десятков вольт) в обратном направ­лении, как показано на рис. 5.16.

Под действием напряже­ния IIэб дырки из эмиттера инжектируются в базу, со­здавая ток в цепи эмитте­ра /_э. В области базы эти носители будут двигаться в сторону коллектора за счет диффузии. Дошедшие до коллектора дырки втяги­ваются электрическим полем, создаваемым на переходе дей­ствием Е_к, из базы в область коллектора, повышая тем са­мым ток коллекторного перехода:

4 = /ко+

где /_ко- начальный обратный ток коллектор­

ного перехода;

а = 1 С1_к6 = сопз! — коэффициент усиления по току (а =

=0,9-^0,999).

Вследствие того, что ширина базы делается очень малой (до_б<50 мк)_у почти все дырки (90—99,9%), вышедшие из эмиттера, достигают коллектора. Остальные дырки рекомби- нируют в базе с электронами. Для восстановления электриче­ской нейтральности базы в нее входят электроны от источни­ка Е_а. Это создает небольшой ток в цепи базы /б = /_э —

Изменение тока эмиттера (во входной низкоомной цепи) вызывает примерно равное ему изменение тока коллектора (в выходной высокоомной цепи). Отсюда произошло назва­ние— транзистор (1гап$Гег оГ ге$15{ог— «трансформатор со­противлений»). В этом состоит принцип работы транзистора, используя который можно получить эффект усиления напря­жения и мощности.

'был

площадь коллекторного перехода приблизительно в два раза больше площади эмиттерного перехода, а концентрация при­меси в области эмиттера берется значительно больше, чем в области коллектора, то при инверсном включении транзи­стора коэффициент усиления по току (а/ <0,5) и допустимые мощности рассеивания получаются малыми. Поэтому такое включение оказывается нецелесообразным.

В зависимости от того, какой электрод транзистора яв­ляется для входного и выходного источников тока (напряже­ния) общим, различают три основные схемы включения тран­зисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим кол­лектором (рис. 5.17).

Характеристики и системы характеристических параметров транзисторов

Основные свойства транзисторов на низких частотах опре­деляются семействами входных и выходных статических ха­рактеристик. В справочниках входные и выходные характе­ристики обычно приводятся для двух схем включения тран­зистора: схемы с общей базой и схемы с общим эмиттером.

Из этих характеристик можно получить перестроением еще два семейства: характеристики обратной связи по напря­жению и переходные характеристики (прямой передачи тока), но они употребляются редко.

В настоящее время наиболее широко используются харак­теристики, где в качестве независимых переменных приняты /вх и ^вых- Графики этих характеристик имеют вид, показан­ный на рис. 5.18 и 5.19.

Г₃,»а

Рис. 5.18. Входные характеристики транзисторов:

■ для схемы с общей базой; 6 — дтя схемы с общим эмиттером

Рис. 5.19. Выходные характеристики транзисторов: а — для схемы с общей базой; б — для схемы с общим эмиттером

Характеристики для схемы с общим коллектором мало отличаются от характеристик схемы с общим эмиттером и поэтому на практике не используются.

При малых изменениях значений напряжений и токов (при малых сигналах) нелинейные участки характеристик

транзисторов можно считать линейными и рассматривать транзистор для переменных составляющих токов и напряже-

у нии как активный линеиныи

¹ " четырехполюсник (рис. 5.20).

Связь между токами и на­пряжениями для такого че­тырехполюсника может быть выражена одной из шести пар линейных уравнений В зависимости от выбран ной пары уравнений раз личают системы характери стических параметров тран зистора. Практическое применение находят следующие три системы характеристических параметров:

Система ^-параметров. Для этой системы:

и I = 5 + 21 ^ о? 2*

&2 — 2 + ^ 22^ 2' Система У-параметров. Для этой системы:

А = А + У А

/2 — ^21У1 У22^2'

Система //-параметров. Для этой системы: 0_{ = И_п/₁ + Н^Ооу

/₂ = н_гх1_х + и₂₂и₂.

На низких частотах 2-, У- и Я-параметры чисто активные. При этом они обозначаются так: 2_п = г_п\ 2Г₁₂ = г₁₂; ^₂₁=г₂₁\

^22 ⁼ ^22» ⁼ ЙИ» ^12 ⁼ ^12» ^21 ⁼ ёз1» ^22 ⁼⁼ Й22» ^И ~ ^11»

Н12 ⁼⁼ ^12» ^21 ⁼ ^21» ^22 ⁼ ^22'

Так как при экспериментальном измерении характеристи­ческих параметров наибольшая точность при малом входном сопротивлении транзистора может быть достигнута в режиме холостого хода на входе, а при большом выходном сопротив­лении— в режиме короткого замыкания на выходе, то в на­стоящее время в справочниках наиболее часто приводятся значения Л-параметров.

Численные значения й-параметров (табл. 5.4) опреде­ляются также по характеристикам, как показано на рис. 5.18 и 5.19. При этом:

1/_?\ —0

— —входное сопротивление

Лц [ом] =

0,=О

^и8ЫХ=^С0П*¹

транзистора переменному току при коротком замыкании для переменного тока на выходе;

— коэффициент обрат-

— выходная прово-

вх

ьи_в

1₁₌0

ной связи по напряжению при холостом ходе для переменно­го тока на входе;

Н_п =•- = "тр^ I — коэффициент усиления

1о_я=о ^вх Ч_ых=со«1 по току при коротком замыкании для переменного тока на выходе; для схемы с общей базой коэффициент усиления по току обозначается а, а для схемы с общим эмиттером {3;

ЬгЛмо]=± |

® 1—^

димость при холостом ходе для переменного тока на входе.

Численные значения параметров транзистора зависят от схемы включения, электрического режима, рабочей частоты и температуры.

Таблица 5.4

Типовые значения Н -параметров низкочастотных сплавных германиевых

транзисторов

Пз табл. 5.4 хорошо видны преимущества и недостатки различных схем включения транзисторов. В справочниках, как правило, приводятся значения А-параметров для схемы с общей базой. Для определения /гц, Л12, А₂\ и А₂г в двух дру­гих схемах достаточно соответствующий параметр схемы с общей базой разделитьиа величину (1—а). Параметр й_12к = 1*

Л₁₂ =

Рис. 5.21. Зависимости Л-параметров маломощных германиевых низкоча­стотных транзисторов от рабочего режима и температуры (штриховкой показаны области возможного разброса параметров от образца к образцу среди приборов одного и того же типа)

При необходимости иметь для расчета схем 2- или У-па- раметры транзистора их можно определить по следующим соотношениям:

ЛЦЛ₂2 — Л10Л2

Ги = "

_ Л)г Лцг

¹² ~~ Л22 ' «12 — 1Г7

= х⁵-;

Г,. =■

^Г22 — А > ^22 —

«22 "11

/^«•(иИэ

-Э^п /.

мощных германиевых сплав­ных триодов показана на рис. 5.21.

Кроме 2-, У-, //-параме­тров, существует еще систе­ма собственных (физиче­ских) параметров транзи­стора, численные значения которых не зависят от схе- & & мы включения. Эти пара- _л „

мртпы гпптвртгтпуют Т-пб- ^Рис* ⁵-²²- Простейшая эквивалентная метры^ соответствуют I 00 _{схема транзист0ра<} включенного по

разной эквивалентной схе­ме транзистора (рис. 5.22).

В эту систему парамет­ров входят:

— коэффициент усиле­ния по току

(5.11)

сопротивление эмиттерного р-/г-перехода г. = 2^-2-^41+ *,,);

П 22

1

"22

(5.12)

— сопротивление коллекторного р-/г-перехода

5.8. ЧАСТОТНЫЕ И ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ

2 ООО

3000

2000

0 4 8 12 1 В 20 6

Рис. 5.23. Зависимость предельной частоты усиления транзисторов П13, П14, П16 от рабочего режима: а — от тока эмипера; б — от напряжения на коллекторе

напряжений и токов, то и величина /_в транзистора зависит не только от его конструкции, но и от режима работы. Ха­рактер этих зависимостей показан на рис. 5.23.

В настоящее время по частотным свойствам транзисторы разделяют на низкочастотные (/<3 Мгц); средней частоты (3 Мгц </<30Мгц); высокочастотные(ЗОМгц</<ЗООАГгц) и сверхвысокочастотные (/>300 Мгц).

При использовании транзисторов следует иметь в виду, что частотные свойства одного и того же транзистора в схеме с общим эмиттером значительно хуже, чем в схеме с общей базой. Величину предельной частоты усиления транзистора в схеме с общим эмиттером приближенно вычисляют по формуле

Л«0,7/.0-«) [Мгц]. (5.14)

Шумовые свойства транзисторов массового производства хуже, чем вакуумных триодов. Шумы зависят от параметров транзистора (а; г_к; гъ\ /ко), режима его работы (/_э; рабо­чей частоты /, температуры и сопротивления источника сиг-

Р_ШрВ6 16

—

п*

——

14

кремшшия трате - \ тары

ры:

Щ

С—

X

1,01ъ»о 501*4 4 1п*_г

Рис. 5.24. Зависимости коэффициента шума тран­зисторов:

а — от рабочего режима и температуры; б — от частоты

нала /?_г. Характер этих* зависимостей сложен. Изменение ко­эффициента шума Р_т от тока эмиттера, температуры, /?_г и частоты показано на рис. 5.24, а и рис. 5.24,6.

209

8—93

5.9. ОСОБЕННОСТИ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНЗИСТОРОВ

На семействе выходных характеристик транзистора (на­пример, для схемы с общим эмиттером) можно выделить три области: активную, область отсечки коллекторного тока и область насыщения (рис. 5.25).

На практике транзисторы используются в двух режимах: усиления и переключения. В режиме усиления при малых сигналах транзистор работает только в активной области; при больших сигналах —в области отсечки коллекторного

коллекторного тока.

Рис. 5.25. Области возможных режимов работы транзисторов.

тока и активной области. В режиме переключения он рабо­тает во всех трех областях. В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. При этом выходной ток изменяется пропорцио* нально изменению входного тока:

/к = Р(/к« + /«).

Область отсечки (запертое состояние) характеризуется обратными напряжениями на обоих переходах. При этом можно считать, что в цепях каждого электрода транзи­стора протекают приблизительно постоянные обратные токи: /₉₀ ~ /ко'» ^бо ~ ^ко "Ь ^эо*

В режим насыщения полупроводниковый триод перехо­дит тогда, когда оба перехода смещены в прямом направле­нии. В этом режиме дальнейшее изменение тока базы не вызывает изменения тока коллектора. Остаточное напряже­ние на коллекторе С/кенас невелико и составляет обычно де­сятые доли вольта. Соответственно и рассеиваемая мощность на коллекторном р-я-переходе тоже мала, а ток коллектора определяется величиной сопротивления нагрузки и напряже­нием источника питания Е_к. Это обусловливает хорошие клю­чевые свойства транзисторов в импульсных схемах.

Инерционные свойства транзисторов зависят от схемы включения, электрического режима, емкостей переходов и времени пробега носителей через базу.

Если рабочая точка не заходит в область насыщения, то постоянная времени переходного процесса на выходе тран-

Рис. 5.26. Эпюры токов транзистора при импульс­ном режиме работы

зистора в схеме с общим эмиттером (х_р) определяется соот­ношением

Если рабочая точка заходит в область насыщения, то про­цессы в полупроводниковом триоде после окончания импуль­са тока базы состоят как бы из двух этапов (рис. 5.26). В те­чение первого этапа происходит уменьшение концентрации (рассасывание) накопленных дырок в базе. Этот процесс ха­рактеризуется временем рассасывания т_рас« где

8 = степень насыщения; затем рабочая точка перехо-

'б.ыас

дит в активную область, в которой происходит уменьшение коллекторного тока по экспоненте с постоянной времени ^.

8» 211

Таким образом, длительность восстановления из насыщен­ного состояния в запертое состояние оказывается больше что отрицательно сказывается на быстродействии импульс­ных схем.

Транзисторы — весьма надежные элементы радиотехниче­ских схем, но неправильная эксплуатация снижает их надеж­ность и является одной из причин отказов в работе.

Наиболее часто встречаются следующие примеры непра­вильной эксплуатации.

1. Использование приборов в максимально допустимых режимах или даже в режимах, превышающих максимально допустимые. Во всех справочниках на каждый прибор приво­дятся предельно допустимые токи, напряжения и мощности с учетом соответствующего коэффициента запаса только на технологический разброс. Превышение этих данных недопу­стимо во всех статических, динамических и неустановившихся режимах, которые могут возникать в схемах.

2. Несоблюдение теплового режима работы транзистора. Так как при повышении температуры снижаются допустимые предельные напряжения, токи' и мощности, то изменяются почти все параметры транзистора. Например, обратный ток коллектора в среднем растет в два раза при повышении тем­пературы на каждые 10° С. Поэтому на условия охлаждения должно быть обращено особое внимание независимо от того, насколько рассеиваемая мощность далека от предельно допу­стимой. Германиевые транзисторы допускают работу в ин­тервале температур от —60 до +70° С, а кремниевые от —60 до +120° С. Монтаж транзисторов в схему путем пайки дол­жен производиться таким образом, чтобы в минимальной сте­пени нагревались переходы.

3. Использование транзисторов в схеме с общим эмитте­ром с большим сопротивлением в цепи базы. Это сопротив­ление должно быть минимальным. Во избежание выхода транзисторов из строя не допускается отключение цепи базы при наличии напряжений на других электродах.

4. Крепление транзистора на его выводах. Устойчивость транзисторов против механических воздействий обеспечи­вается только при креплении его к шасси корпусом. При этом обеспечиваются также лучший отвод тепла и общее повыше­ние стабильности и надежности работы транзистора в схеме.

Глава VI

ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНИКА

6.1. ИМПУЛЬСНЫЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК

Под электрическим импульсом понимают напряжение (ток), действующее в цепи в течение короткого промежутка времени, малого или сравнимого с переходными процессами в этой цепи.

Различают видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоим­пульсом называется напряжение (ток), мгновенное значение которого отличается от нуля или постоянного уровня в тече­ние короткого промежутка времени (рис. 6.1,а). Радиоим­пульсами называются импульсы высокочастотного синусои­дального напряжения (тока) (рис. 6.1,6). Огибающей радио­импульса является видеоимпульс.

В зависимости от назначения импульсы могут быть раз­личной формы. В радиолокации наиболее часто используются прямоугольные (рис. 6.1,в), остроконечные (рис. 6.1,г), пи­лообразные (рис. 6.1,(9) и трапецеидальные (рис. 6.1 >е,ж) импульсы.

Видеоимпульсы могут быть положительной и отрицатель­ной полярности.

Основные параметры одиночного импульса: амплитуда *Лп(Лп), длительность т_и, длительности фронта тф и среза т_ср (рис. 6.1,а). Обычно длительность импульса измеряется на уровне 0,1 С/_ш(/_т), длительность фронта определяется как время нарастания напряжения (тока) от 0,1 У_т(1т) до 0,9 *Лп(/т), длительность среза —как спад от 0,9 0_т(1_т) до^ 0,1 С/_т(/_т). Иногда уровни отсчета могут быть выбраны дру­гими. Уровни отсчета всякий раз оговариваются.

Основные параметры периодической последовательности импульсов: период следования (повторения) Г_и (рис. 6.1,а);

частота следования (повторения) Р_ж= скважность

* и

Я = ~ = ~ГГ (6-1)

^хи ' и в

№т«тГ

и(0

л

е ж

Рис. 6.1. Видео- и радиоимпульсы:

а — видеоимпульсы; б — радиоимпульсы; в — прямоугольный видеоимпульс; г — остро­конечный видеоимпульс; д — пилообразный видеоимпульс; е и ж — трапецеидальные

видеоимпульсы

и обратная ей величина — коэффициент заполнения

= (6.2)

Дополнительным параметром радиоимпульса является несущая частота /_н-

6.2. ФОРМИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ПОМОЩИ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Для формирования импульсов используются следующие цепи: реостатно-емкостная кС и реостатно-индуктивная цепи для дифференцирования и интегрирования импульсов, контуры ударного возбуждения, линии с распределенными и сосредоточенными параметрами.

Дифференцирующие цепи

Дифференцирующей называется цепь, напряжение на вы­ходе которой пропорционально производной от входного на-

г г аи_ах

пряжения: и_вих = к ™ .

Для дифференцирования могут быть использованы емко­стная (рис. 6.2, а) и индуктивная (рис. 6.2,6) цепи. Наиболь­шее распространение на практике получила емкостная диф-

С и

а 6

Рис. 6.2. Дифференцирующие цепиз а — емкостная; б — индуктивная

ференцирующая цепь. Чем меньше постоянная времени

(т=/?С для емкостной; Для индуктивной цепи), тем

точнее дифференцирование, но меньше величина выходного сигнала. Поэтому величина постоянной времени выбирается исходя из конкретных технических условий.

Дифференцирующие цепи используются для следующих операций.

1. Выполнение математической операции дифференциро­вания. Такое использование дифференцирующая цепь нахо­дит в ЭВМ непрерывного действия. В этом случае для повы­шения качества дифференцирования при достаточной ампли­туде выходного сигнала применяется комбинация дифферен­цирующей цепи и усилителя (решающий дифференцирующий усилитель).

2. Формирование остроконечных импульсов из перепадов напряжения. При подаче на вход дифференцирующей цепи положительных прямоугольных импульсов (рис. 6.3, а) на

Рис. 6.3. Напряжение па выходе дифференцирующей цепи:

а — при дифференцировании прямоугольного импульса; б — при дифференцировании трапецеидального импульса

выходе получаются остроконечные импульсы (положитель­ный— во время фронта, отрицательный — во время среза импульса). Формирование остроконечных импульсов связано с быстрым зарядом (разрядом) емкости. Чем меньше посто­янная времени, тем короче импульс. При измерении длитель­ности импульса на уровне 0,1

т_й = 2,3т = 2,3 НС. (6.3)

Изображенная на рис. 6.3, а форма выходного импульса имеет место лишь при идеальных условиях: бесконечно малой длительности фронта входного импульса, нулевом сопротив­лении генератора, отсутствии паразитных емкостей.

Реальный импульс на выходе дифференцирующей цепи имеет меньшую амплитуду, большую длительность, конечную длительность фронта (пунктир на рис. 6.3,а). Для уменьше­ния влияния паразитных емкостей С\ и С₂ (рис. 6.2, а) ем­кость С выбирается в 4—5 раз больше этих емкостей. Обыч­но С\ и С₂ равны 10—15 пф, а величина С> 50ч-100 пф.

Получение остроконечных импульсов иногда называется укорочением импульса, а используемая цепь—укорачивающей. При помощи укорачивающей цепи могут быть получены им­пульсы длительностью т_и ^0,5-*-1 мксек. Укорочение импуль­са применяется для формирования кратковременных импуль­сов, для селекции импульсов по длительности и т. д.

3. Формирование прямоугольных импульсов из трапецеи­дальных. При подаче на вход дифференцирующей цепи тра­пецеидального импульса на выходе будут два прямоугольных импульса: положительный во время фронта, отрицательный во время среза входного импульса (рис. 6.3,6). Таким обра­зом используется дифференцирующая цепь для получения импульса подсвета в индикаторе с растровой разверткой?

Интегрирующие цепи

Интегрирующей называют цепь, напряжение на выходе которой пропорционально интегралу от входного, т. е.

г

о

Для интегрирования в основном применяется емкостная цепь /?С (рис. 6.4,а). Индуктивная цепь (рис. 6.4,6) практически ие применяется.

* I

Рис. 6.4. Интегрирующие цепи.

а — емкостная; б — индуктивная

Чем больше постоянная времени интегрирующей цепи, тем выше качество интегрирования, но меньше величина вы­ходного сигнала.

Основные применения интегрирующей цепи: выполнение математической операции интегрирования (в качестве эле­мента решающего интегрирующего усилителя); получение пилообразного импульса из прямоугольного (рис. 6.5, а) для

создания временных разверток, для селекции импульсов по длительности; получение параболического напряжения из пи­лообразного (рис. 6.5, б) для создания развертки высоты в индикаторном устройстве высотомера.

^и9Л

Рис. С.5. Напряжение на выходе интегрирующей цепи:

а — при интегрировании прямоугольного импульса; б — при интегрировании пило­образного импульса

Устройства с контурами ударного возбуждения (КУВ)

В таких устройствах используется возбуждение контура перепадом тока. Устройства с КУВ применяются для полу­чения серии синусоидальных колебаний, коротких остроко­нечных и прямоугольных импульсов, для расширения импуль­сов и т. д.

Получение серии синусоидальных колебаний. Наибольшее распространение получила схема с положительной обратной связью (рис. 6.6,а). В исходном режиме лампа Л_х отперта, анодный ток этой лампы протекает через катушку и в маг­нитном поле катушки запасена энергия. При подаче входного импульса лампа Лъ запирается и в контуре возникают коле­бания с частотой /= _ . Эти колебания повторяются

2.т.у АС

катодным повторителем, что обеспечивает поступление энер­гии в контур. При оптимальной величине сопротивления къ потери энергии в контуре компенсируются и амплитуда коле­баний остается практически постоянной (рис. 6.6,6). Обыч­но точка подключения «а» выбирается посредине катушки. В этом случае оптимальная величина /?з_0Пт определяется по формуле

опт ⁼ "4" • • (6.4)

Схема широко используется в калибраторах для получе* ния масштабных меток дальности.

Рис. 6.6. Устройство с контуром ударного возбуждения и положительной

обратной связью: а — схема; б —временные диаграммы напряжений

Н г^

Рис. 6.7. Каскад с индуктивным дифференцирующим контуром; а —схема; б— временные диаграммы напряжений

Получение коротких остроконечных импульсов. В этом случае используется критический режим, для чего контур шунтируется сопротивлением

«=1/1- <⁶-⁵>

При подаче.отрицательного импульса на схему (рис. 6.7, а) на выходе образуются два остроконечных импульса (рис. 6.7,6), аналогичные по форме импульсу дифференци­рующей цепи. Поэтому такой контур часто называется ин­дуктивным дифференцирующим контуром. Основное достоин­ство схемы — возможность получения большой амплитуды импульса, значительно превышающей напряжение источни­ка Е_а.

Формирующие линии

Для формирования коротких прямоугольных импульсов применяются как линии с распределенными параметрами, так и искусственные линии с сосредоточенными параметра­ми. Достоинства таких устройств — хорошая форма и высо­кая стабильность длительности импульса, возможность полу­чения импульсов большой мощности.

Для получения мощных импульсов линия используется в качестве накопителя энергии. При этом заряд линии осу­ществляется, когда ключ разомкнут (рис. 6.8,а). Время за­ряда

'зар = 3 (/? + /?„)/С, (6.6)

где /—длина линии (кабеля) в м\

С—погонная емкость (емкость на 1 м длины). В момент замыкания ключа (в качестве ключа часто при­меняют тиратрон) линия разряжается на нагрузку /?_н=:р =

= При этом вдоль линии распространяется волн'а на­пряжения и тока со скоростью ^у = (^с — скорость света; е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика кабеля). Через время Г₃ = — волна напряжения (тока) достигнет

конца линии и, отразившись от разомкнутого конца линии, будет распространяться к началу с той же скоростью. В мо­мент прихода к началу линии отраженной волны линия ока­жется полностью разряженной. На нагрузке образуется им­пульс с амплитудой -у- и длительностью

= 27; = 2 4" 6,6 • 10-ЧУ1 [мксек]. (6.7)

При рассогласовании линии (/?_н>р или /?_н<р) форма им­пульса искажается (рис. 6.8,6).

Основное достоинство формирования при помощи коакси­ального кабеля (РК-1, РК-3, РК-20 и др.) — неискаженная форма импульса (при согласовании кабеля с нагрузкой); не­достатки— низкое волновое сопротивление (р=50-г-150 ом) и большая длина (для получения 73=1 мксек необходима длина /=200-*-300 м). Для уменьшения длины кабеля один из проводов свертывается в_# виде спирали (спиральные линии

Рис. 6.8. Формирующая линия: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

РКЗ-400; РКЗ-401 и др.). Такие линии обеспечивают задерж­ку в 1 мксек на 10 см длины кабеля при волновом сопротив­лении около 1000 ом. Основной недостаток спиральной ли­нии— значительное искажение формы импульса. Обычно спи­ральные линии применяют при задержке мксек.

Наибольшее распространение получили искусственные це­почечные линии (рис. 6.9,а), ввиду компактности, возмож­ности получения различного волнового сопротивления (от де­сятков ом до нескольких килоом) и задержки (от долей ми­кросекунды до нескольких десятков микросекунд). Цепочеч­ные линии состоят из последовательного соединения ячеек из индуктивности и емкости.

Характеристическое сопротивление р_л и время задержки на одно звено определяются по формулам:

= (6.9)

Длительность формируемого импульса т_и = 27-з = 2«К1Д,

*де п — число ячеек.

(6.П)

л = 0,27^4

Т^Я т^я

Чн

Е 2

Однако увеличение числа ячеек не избавляет от колеба­ний на вершине импульса. Улучшение формы вершины дости­гается путем коррекции. Для этого чаще всего используется добавочная индуктивность При = колебания на вершине практически отсутствуют, но длительность фронта возрастает в два раза (пунктирная линия на рис. 6.9,6).

(6.10)

6.3. ФОРМИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ПРИ помощи НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

В нелинейных формирующих цепях параметры ^ I и С зависят от величины напряжения (тока).

Ограничители

Ограничителем называется устройство, напряжение на выходе которого остается постоянным, когда входное напря­жение выходит за предел фиксированного уровня — порога ограничения; при значениях входного напряжения, лежащих внутри порога ограничения, оно должно воспроизводиться на выходе без искажений. При ограничении верхней части входного напряжения получается ограничение.сверху; ниж­ней— ограничение снизу, и верхней и нижней частей — дву­стороннее ограничение.

Ограничители применяются для получения прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения, для селекции по амплитуде и полярности, для улучшения формы импульсов. Для-ограничения используют элементы, у которых сопротив­ление резко зависит от режима. В качестве таких нелиней­ных элементов применяются диоды, многоэлектродные лампы и транзисторы.

Дирдные ограничители. Принцип действия диодных огра­ничителей основан на односторонней проводимости диода. Применение находят как,электровакуумные, так и полупро­водниковые диоды. Достоинства вакуумного диода — высо­кие значения обратного сопротивления и допустимого напря­жения, малая температурная зависимость. Недостатки — большие габариты, меньшие (чем у полупроводниковых) эко­номичность и надежность, зависимость характеристик от на­пряжения накала, большая междуэлектродная емкость. В на­стоящее время в ограничителях преимущественно исполь­зуются полупроводниковые диоды. В зависимости от способа включения диода различают последовательные и параллель­ные схемы диодных ограничителей.

В последовательной схеме диодного ограничителя (рис. 6.10) при положительном напряжении диод отперт и напряжение на выходе повторяет входное, при отрицательном «диод заперт и выходное напряжение ограничивается. Изме­няя величину и полярность источника смещения, можно изме­нять уровень ограничения. Достоинство схемы — четкий уро­вень ограничения. Недостаток — емкостная связь между вхо­дом и выходом за счет емкости анод—катод, которая иска­жает форму выходного напряжения, особенно при большой крутизне фронта.

д

Щых ^иш

Рис. 6.10. Ограничи­тели с последователь­ным включением на­грузки: а — ограничителе сверху на нулевом уровне; б — ограничитель снизу на нулевом уровне; в — ограничитель сверху на положительном уровне; г — ограничитель снизу «а отрицательном уров­не; д — двусторонний ограничитель

и$ых

а

"огг

—~1—|

Ум

^е> I^е

В параллельной схеме диодного ограничителя (рис. 6.11) при отпертом диоде сопротивление нагрузки /?_н шунтируется малым сопротивлением диода и выходное напряжение огра­ничивается, при запертом диоде — напряжение на выходе по­вторяет по форме входное. Для нормальной работы схемы необходимо выполнение условия Ян^Яогр^ Достоинство схемы — отсутствие емкостной связи между входом и выхо­дом. Недостатки — необходимость источника смещения с ма­лым внутренним сопротивлением, меньшая четкость ограни­чения, ослабление выходного сигнала за счет падения напря­жения на Ятр.

Достоинства всех схем диодных ограничителей — просто­та, экономичность, стабильность уровня ограничения. Недо­статок — отсутствие усиления.

Огранич ител и-усил ите л и

Ограничение совместно с усилением можно получить при использовании многоэлектродных ламп или транзисторов. При этом возможны три вида ограничения: за счет появления сеточных токов (сеточное ограничение), за счет нижнего и верхнего изгибов анодно-сеточной характеристики (анодное ограничение снизу и сверху).

Сеточное ограничение. Схема представляет усилитель, в цепь сетки включено сопротивление /?₀г_Р (рис. 6.12,а). При положительном напряжении на сетке напряжение на входе

6

Рис. 6.12. Сеточный ограничитель: а —схема; б — временные диаграммы напряжений и токов

усилителя ограничивается за счет протекания сеточного тока по этому сопротивлению, подобно параллельному диодному ограничению (рис. 6.12,6). Ограниченное в сеточной цепи напряжение усиливается и инвертируется в анодной цепи.

Анодное ограничение снизу получается в усилителе (рис. 6.13, а) за счет отсечки анодного тока. Когда входное напряжение становится меньше Е_е0, лампа запирается, на­пряжение на аноде достигает величины Е_а и ограничивается (рис. 6.13,6).

I I

вш

№

УХ

Рис. 6.13. Анодный ограничитель снизу:

а — схема; б — временные диаграммы напряжений и токов

Анодное ограничение сверху. Для получения такого огра­ничения необходимо применять пентод и большое сопротив­ление анодной нагрузки. Ограничение происходит за счет перехода пентода в критический режим, которым опреде­ляется минимальное напряжение на аноде (рис. 6.14).

Для получения двустороннего ограничения часто приме­няют комбинации анодного ограничения снизу с сеточным ограничением или анодным ограничением сверху. Для одно­стороннего или двустороннего ограничения может быть ис­пользован транзистор (рис. 6.15). Ограничение сверху осу­ществляется за счет запирания транзистора, снизу — за счет перехода в режим насыщения (для транзисторов р-п-р-типа).

ив*

Уогр

1ат

Рис. 6.14. Анодный ограничитель сверху: а — схема; 0 — анодная характеристика; в — временные диаграммы напря­

11

жений и токов "9*

Фиксаторы уровня

Разделительные схемы (цепи /?С и трансформаторы) не пропускают постоянной составляющей (рис. 6.16,а). Фикса­торы уровня позволяют восстановить постоянную составляю­щую. Обычно для этой цели применяют диод (рис. 6.16,6). В промежутках между импульсами конденсатор быстро раз­ряжается через диод, чем устраняется смещение выходного напряжения и фиксируется нулевой уровень. Для изменения фиксирующего уровня необходимо последовательно с диодом

ивм

I I

"вы*

Рис. 6.16. Фиксатор уровня: а — изменение начального уровня при прохождении импульсов через цепь /?С; б — схема фиксатора и временная диаграмма выходного на­пряжения

включить источник смещающего напряжения. Фиксаторы применяются в выходных каскадах разверток индикаторных устройств, для восстановления фона в телевизионных устрой­ствах и т. д.

Схемы с нелинейными магнитными элементами

Сердечники нелинейных магнитных элементов в основном изготовляются из ферритов, имеющих прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 6.17). Схемы с нелинейными магнитными элементами применяются для формирования импульсов (пик- трансформаторы) или в качестве схем с двумя, устойчивыми состояниям^.

Пик-трансформаторы (рис. 6.18,а). Применяются для преобразования синусоидального напряжения в кратковре­менные импульсы. Режим работы выбирается таким образом,

Рис. 6.17. Петля гистерезиса ферро­магнитного материала

Схемы с двумя устойчи­выми состояниями равнове­сия. Схемы базируются* на наличии двух состояний остаточной намагниченности сердеч­ника (тора): + В_ост и —В₀ст (рис. 6.17). Основой схемы яв­ляется тор с несколькими обмотками (рис. 6.19,а).

Рис. 6.18. Пик-трансформатор: а — схема; б — временное диаграммы напряжений

Если магнитное состояние тора определялось точкой —Воет» то при подаче импульса тока в обмотку / происходит перемагничивание сердечника до +В_т. После окончания им­пульса тока тор переходит во второе устойчивое состояние,

которое соответствует остаточной намагниченности Ч-"В₀ст. Если теперь подать импульс тока в обмотку //, то произойдет перемагничивание сердечника до —В_ту а после окончания импульса тор перейдет в исходное состояние остаточной на­магниченности —В₀ст-

Каждый раз при перемагничивании тора на выходной об­мотке индуктируется импульс э. д. с. (рис. 6.19,6).

Рис. 6.19. Схемы на ферритах: а — ферритовый тор: б — временные диаграммы токов, напряжений и магнитной индукции; в — феррит-диодный элемент: г — феррит-транзисторный элемент

Если перед подачей импульса в обмотку / тор находился в состоянии +В_ост, то с поступлением импульса индукция возрастает до +В_т и после окончания возвратится в исход­ное состояние +В₀ст- При этом перемагничивания тора не происходит и индуктированный в выходной обмотке импульс э. д. с. имеет малую амплитуду. Перемагничивания не про­исходит также при подаче импульса тока в обмотку //, если перед этим магнитное состояние тора определялось остаточ­ной индукцией —В_0СТ.

При связи между сердечниками для обеспечения однона­правленности информации включаю? диоды (феррит-диодные элементы) или транзисторы (феррит-транзисторные элемен­ты). Включение транзисторов, кроме того, обеспечивает уси­ление входного сигнала. Кроме торов, из ферритов изготов­ляют и другие элементы (трансфлюксоры, «лесенки» и т. д.). Схемы на ферритах широко используются как переключаю­щие, логические и запоминающие элементы.

6.4. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

В рассматриваемых генераторах применяются устройства с падающим участком вольтамперной характеристики. Изве­стно, что на таком участке состояние равновесия устройства неустойчивое, что обеспечивает скачкообразные изменения напряжения (тока), необходимые при формировании прямо­угольных импульсов. Для получения такой характеристики используют положительную обратную связь или приборы с падающим участком характеристики (тиратроны, туннель­ные диоды, лампы со вторичной эмиссией и т. д.).

Генераторы импульсов могут работать в следующих ре­жимах:

• в режиме автоколебаний, когда генерация осущест­вляется без внешних воздействий;

• в режиме синхронизации, когда на генератор, работаю­щий в автоколебательном режиме, подаются внешние сиг­налы, управляющие его работой*

• в заторможенном (ждущем) режиме, когда генера­ция осуществляется только под воздействием внешнего сиг­нала.

Генераторы типа мультивибратора

В генераторах этого типа положительная обратная связь создается путем применения двухкаскадных усилителей, у которых выход одного каскада связан со входом другого.

Мультивибраторы, работающие в автоколебательном ре­жиме. Основная схема мультивибратора (рис. 6.?0, а) пред­ставляет собой двухкаскадный усилитель на сопротивлениях, причем выход каждого усилителя через разделительный кон­денсатор связан со входом другого. Генерация заключается в поочередном запирании одной и отпирании другой лампы (этот процесс называется опрокидыванием схемы). После очередного опрокидывания конденсатор, подключенный к аноду открывшейся лампы, разряжается через эту лампу и сопротивление утечки, создавая на сетке запертой лампы отрицательное напряжение, удерживающее эту лампу в за­пертом состоянии. По *мёре разряда конденсатора напряже­ние на сетке запертой лампы возрастает и когда оно достиг­нет величины напряжения запирания, лампа отопрется, цепь положительной обратной связи восстановится и в схеме про­изойдет очередное опрокидывание — запертая лампа ото­прется, отпертая — запрется.

Рис. 6.20. Мультивибратор на электронных лампах: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

На анодах ламп формируются прямоугольные импульсы (рис. 6.20,6). Длительность импульсов и период их повторе­ния определяются по формулам:

(6.12)

'.2 = ^,111-^; (6.13)

7"» = -ь (6.14)

233

Регулировка длительности и периода повторения импуль­сов осуществляется изменением величины сопротивлений утечки (/?| и /?г) или емкости.

Минимальная длительность импульсов мультивибратора составляет 0,5—2 мксек, частота колебаний — от долей герца до сотен тысяч герц, скважность может достигать 100. Ста­бильность частоты невелика и в лучшем случае достигает нескольких процентов.

Рис. 6.21. Мультивибраторы на транзисторах: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

Простым способом увеличения стабильности является при­менение мультивибратора с «положительными» сетками (подключение сопротивлений утечки в такой схеме показано пунктиром на рис. 6.20,а). Другие способы стабилизации будут рассмотрены ниже.

Схема мультивибратора на транзисторах (рис. 6.21) в принципе не отличается от ламповой, однако в транзисторных генераторах для повышения стабильности практически всегда подается смещение на базу.

Длительность, период повторения и амплитуда импульсов определяются по формулам:

2 ^КО^б!

««=/?.,с, 1п А-; (6.15)

1. а-

Р

2. 4-

-Т^-; (6.16)

7¹1. = + ^Ти2'> (⁶-¹⁷)

(6.18).

Зависимость начального тока /_ко от температуры опреде­ляет в основном температурную нестабильность периода по­вторения импульсов. Для повышения стабильности целесооб­разно по возможности увеличивать Е_к, уменьшать сопротив­ление /?б, выбирать транзисторы с малыми значениями тока /_ко. Одним из способов повышения стабильности является включение в цепи баз кремниевых диодов. Применением этих мер нестабильность периода повторения может быть сниже­на до нескольких процентов.

Ждущий мультивибратор*. Под ждущими мультивибра­торами понимают мультивибраторы* обладающие одним устойчивым состоянием равновесия и вырабатывающие оди­ночный импульс под воздействием внешнего сигнала. Жду­щие мультивибраторы используются в качестве расширите­лей импульса, генераторов строб-импульса, устройств времен­ной задержки и т. д.

Существует много схемных вариантов ждущего мультиви­братора. В частности, ждущий мультивибратор можно полу­чить, заперев одну из ламп мультивибратора (рис. 6.20, а) внешним источником смещения. Наиболее часто применяется ждущий мультивибратор с катодной связью (рис. 6.22,а). Преимущества такой схемы — стабильность, простота, отсут­ствие источника отрицательного смещения, хорошая форма импульса на аноде лампы Л₂. В исходном положении лам­па Л\ заперта напряжением {/_к, создаваемым током отпертой лампы Л₂ на сопротивлении /?_к. При подаче запускающего импульса лампа Л_х отпирается, а Л2 запирается. Конденса­

тор С, разряжаясь через отпертую лампу Л_и создаёт на со­противлении /? отрицательное напряжение, удерживающее лампу Л₂ в запертом состоянии. По мере разряда конденса­тора это напряжение возрастает и в момент, когда оно до­стигнет напряжения запирания, лампа Л₂ отопрется, а лам-

^{1 1}

** ^А

Ряс. 6.22. Ждущий мультивибратор с катодной связью на электронных

лампах:

в —схема; б — временные диаграммы напряжений

па Л\ запрется. После заряда от источника Е_а конденсато­ра С исходное состояние схемы восстанавливается (рис. 6.22,6).

Длительность импульса определяется по формуле

(б-¹⁹)

Регулировка длительности осуществляется изменением К и С, а также изменением напряжения Е₈.

циент заполнения 0,3—0,5. Применение некоторых схемных мер (отсекающий диод, катодный повторитель) позволяет значительно цовысить коэффициент заполнения. Стабиль­ность длительности импульса составляет единицы процентов. Подключение сопротивления к источнику Е_а (пунктир на рис. 6.22, а) позволяет в несколько раз повысить "стабиль­ность.

Рис. 6.23. Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью на траизисторах: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

Схемы ждущих мультивибраторов на транзисторах анало­гичны соответствующим схемам на лампах. На рис. 6.23 изо­бражена схема ждущего мультивибратора с эмиттерной связью.

Длительность импульса определяется приближенно по формуле

2 — К₉ Г ¹ + ¹ ~| ₊ ^ко^б т_и« /?_бС 1п ⁹1 + ^ + Я^! _(б 20)

ниц

Триггеры

Триггерами называются заторможенные устройства, обла­дающие двумя устойчивыми состояниями равновесия. Такой режим получается при реостатных связях между каскадами. Триггеры делятся на симметричные, у которых оба каскада одинаковые, и несимметричные. Симметричные триггеры при-

6

Рис. 6.24. Симметричные триггеры на электронных лампах?

а — триггер с внешним смещением; б — временные диаграммы напряжений; в — триггер с автосмещенмем

меняются как делители частоты повторения импульсов, для управления различными устройствами, в качестве запоми­нающих, счетных и переключающих ячеек ЭВМ и т. д. Несим­метричные триггеры применяются главным образом для фор­мирования прямоугольного напряжения из синусоидального и как дискриминаторы по амплитуде.

Симметричные триггеры на электронных лампах. Наибо­лее распространенной является схема с внешним источником смещения (рис. 6.24,а). Схема имеет два устойчивых состоя­ния равновесия:

• лампа Л\ — отперта, Л₂— заперта;

• лампа Л\ —заперта, Л₂— отперта.

Для перевода триггера из одного устойчивого состояния в другое необходимо подать на вход отрицательный импульс, запирающий отпертую лампу (или положительный импульс, отпирающий запертую лампу). При этом напряжение на аноде отпертой лампы возрастает, через цепь связи пере­дается на сетку запертой лампы и отпирает ее. Схема лере- ходит во второе устойчивое состояние, которое сохраняется до прихода следующего запускающего импульса.

Кроме рассмотренной схемы, часто используется схема с автоматическим смещением (рис. 6.24,в). Преимущество⁴ этой схемы — отсутствие источника смещения, недостатки — наличие двух добавочных элементов, уменьшение амплитуды выходных импульсов. В устройствах с большим числом триг­геров целесообразнее применять схему с внешним источником смещения.

Рассмотренный вид запуска, при котором импульсы одной полярности подаются поочередно на сетки ламп или импульсы чередующейся полярности поступают на сетку одной лампы, называется раздельным. При использовании триггеров в счет­чиках применяют другой вид запуска — общий (или счетный). При этом импульсы одной полярности через диоды подаются на сетки (или аноды) ламп триггера (рис. 6.25).

Быстродействие триггеров характеризуется максимальной частотой повторения запускающих импульсов, при которой триггер работает устойчиво. Триггеры на триодах могут обес­печить быстродействие до 1 Мгц. При некотором усложнении схемы (применение в качестве ламп пентодов, добавочных катодных повторителей, высокочастотной коррекции, фикси­рующих диодов и др.) можно повысить быстродействие до 10 Мгц и более.

Симметричные триггеры на транзисторах. Схемы триггеров на транзисторах аналогичны ламповым (рис. 6.26). Быстро­действие таких триггеров обычно меньше ламповых, что свя­зано с менее высокими (по сравнению с лампой) частотными свойствами транзистора, а также задержкой начала опроки­дывания на время выхода отпертого транзистора из режиму

а

Рис. 6.25. Симметричные триггеры с общим запуском: а — на сетки; б — на аноды

Рис. 6.26. Симметричный насыщенный триггер на транзисторах;

а —схема; б — временное диаграммы напряжений

I

-е_й0-

Рис. 6.27. Разновидности триггеров на транзисторах: «_с диодной фиксацией; б —с эмиттерными повторителями; в —с высокочастотной коррекцией

Ю

►и

насыщения. Для повышения быстродействия применяют ряд схемных мер: нелинейную обратную связь для устранения ре­жима насыщения, эмиттерные повторители, диодную фикса­цию, высокочастотную коррекцию и т.д. (рис. 6.27). Примене­нием этих мер может быть достигнуто быстродействие в не­сколько мегагерц.

Несимметричный триггер с катодной связью (рис. 6.28). Схема обладает рядом достоинств: простота, хорошая форма выходного импульса, высокая чувствительность. Однако за­пуск может производиться только импульсами чередующейся

Рис. 6.28. Несимметричный триггер: а — схема; 6 — временные диаграммы напряжений

полярности, поэтому несимметричный триггер с катодной связью в схемах счетчиков не применяется. При подаче на вход напряжения триггер опрокидывается всякий раз, когда входное напряжение переходит через уровень срабатывания. Схема на транзисторах аналогична ламповой.

Триггеры на газоразрядных приборах (тиратронах, лам­пах с холодным катодом) позволяют коммутировать большие токи. Основной недостаток триггеров на газоразрядных при­борах— малое быстродействие (до нескольких десятков кило­герц). Применяются в схемах автоматики, электронных ком­мутаторах, счетных машинах. Один из вариантов триггеров на лампах с холодным катодом изображен на рис. 6.29. В ис­ходном режиме одна из ламп зажжена (отперта), другая за­перта, конденсатор С заряжен. При подаче положительного импульса запертая лампа зажигается, конденсатор С через эту лампу начинает разряжаться, напряжение на аноде ранее

зажженной лампы резко уменьшается и она гаснет. Триггер переходит во второе устойчивое состояние.

С

+ Е

и и

Г К Н1 О

>вых

^ивЫХ , У макс

Рис. 6.30. Триггер на туннельном диоде:

а — схема; б — вольтамперная характеристика; в — временные диаграммы

УвА

(десятые доли вольта). Эти недостатки устраняются приме­нением транзисторов. В таких комбинированных схемах мо­жет быть дестигнуто быстродействие в несколько мегагерц. Кроме триггеров, на туннельных диодах могут быть выпол­нены мультивибраторы в автоколебательном и ждущем ре­жимах.

Блокинг-генераторы

В таких генераторах положительная обратная связь соз­дается путем применения импульсного трансформатора. Бло­кинг-генераторы применяются для генерации коротких им­пульсов (от нескольких десятков наносекунд до нескольких

десятков микросекунд) с относительно большой скважностью (от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч). Важное преимущество блокинг-генератора по сравнению с мульти­вибраторами— возможность получения большой мощности в импульсе при малой средней мощности. Наиболее распро­страненная схема блокинг-генератора в автоколебательном режиме приведена на рис. 6.31, а.

В промежутках между генерацией импульсов лампа за­перта отрицательным напряжением на сетке, создаваемом на сопротивлении /? током разряда конденсатора С. По мере разряда напряжение на сетке возрастает и в момент, когда оно достигнет величины напряжения запирания, лампа отопрется, цепь обратной связи замкнется и произойдет ге­нерация импульса (рис. 6.31,6). Во время генерации конден­сатор С заряжается сеточным током, напряжение на сетке уменьшается и в определенный момент лампа снова запрется. Необходимым условием генерации является встречное вклю­чение обмоток трансформатора. Если генерация отсутствует,

Рис. 6.32. Заторможенный блокинг-генератор: а — с запуском через диод; б — с каскадом запуска

необходимо концы одной из обмоток поменять местами. На­пряжение с блокинг-генератора можно снимать с анода или третьей (нагрузочной) обмотки, позволяющей легко получить нужную полярность и амплитуду выходного импульса. Иногда выходное напряжение снимается с сопротивления, включен­ного в анодную или катодную цепь. С анодной нагрузки сни­маются отрицательные импульсы, с катодной — положи­тельные.

Длительность периода повторения регулируется измене­нием величины сопротивления /? и емкости С, длительность импульса — емкостью С. Применение схемы с «положитель­ной» сеткой позволяет в несколько раз повысить стабиль­ность периода повторения. Для получения ждущего режима лампа блокинг-генератора запирается внешним источником.

ный диод (рис. 6.32, а). Иногда для запуска применяют до­полнительный каскад развязки (катодный повторитель или лампу, включенную параллельно лампе блокинг-генератора) (рис. 6.32,6).

Рис. 6.33. Блокинг-генератор на транзисторе: а — схема; 0 — временное диаграммы напряжений

на транзисторе с общим эмиттером (рис. 6.33). Диод Д слу­жит для уменьшения обратного выброса, получающегося после формирования импульса.

Достоинствами такой схемы являются хорошая форма им­пульсов, крутой фронт, большая нагрузочная способность. Нестабильность длительности импульса составляет несколько десятков процентов, периода повторения — 10—20%.

Повышение в несколько раз стабильности периода повто­рения обеспечивает схема с эмиттерной емкостью (рис. 6.34). Недостаток такой схемы — значительный спад вершины им­пульса. Для повышения стабильности длительности импульса применяются искусственные цепочечные линии.

Стабилизация временных параметров импульсов. Для по­вышения стабильности периода повторения часто использу­ются контуры ударного возбуждения (рис. 6.35,а). Колеба­ния контура складываются с напряжением на конденсато­ре С, в результате чего стабилизируется момент отпирания лампы (рис. 6.35,6). Применение контуров в три —пять раз

повышает стабильность периода повторения импульсов. Ана­логично могут быть использованы контуры для повышения стабильности генераторов типа мультивибратора.

Рис. 6.34. Блокинг-генератор с эмиттерной емкостью: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

Рис. 6.35. Блокинг-генератор, стабилизированный контуром ударного воз­буждения:

а — схема; б — временные диаграммы напряжений

Для стабилизации длительности импульса блокинг-генера­тора вместо емкости С используется искусственная цепочеч­ная линия (рис. 6.36). В такой схеме длительность импульса определяется параметрами искусственной линии:

вы*

Число ячеек линии обычно равно 3—5. Схема обеспечи­вает весьма высокую стабильность импульса, однако имеет ряд недостатков: мощность в импульсе снижается в 1,5— 2 раза, ухудшается форма импульса, увеличивается длитель­ность фронта. Поэтому схема применяется только при жест­ких требованиях к стабильности длительности импульса. Реже искусственная линия применяется для стабилизации генераторов типа мультивибратора.

Рис. 6.36. Блокинг-генератор, стабилизированный искусственной цепочечной линией: а — схема; С — временные диаграммы напряжений

Одним из способов повышения стабильности временных параметров импульсов является синхронизация генераторов. В режиме синхронизации на генератор, работающий в авто­колебательном режиме, воздействуют внешним периодиче­ским напряжением. Синхронизация заключается в согласова­нии (кратности) частоты повторения импульсов генератора с частотой синхронизирующего напряжения. В качестве син­хронизирующего наиболее часто используют синусоидальное напряжение и короткие импульсы.

На рис. 6.37, а изображен блокинг-генератор в режиме синхронизации. Напряжение на сетке является суммой на­пряжений на конденсаторе и синхронизирующего. Когда это суммарное напряжение достигнет напряжения запирания, произойдет генерация (рис. 6.37,6). Аналогично синхронизи­руются и другие типы генераторов.

Условием синхронизации является Т₀>Т_Я; отношение я = т

= _т ^и называется кратностью синхронизации. Чем больше

* син

кратность синхронизации, тем меньше ее стабильность. Син-

Рис. 6.37. Синхрсжизация блокинг-генератора: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

хронизация широко применяется для временного согласова­ния работы импульсных устройств, деления частоты, стаби­лизации генераторов.

6.5. генерирование пилообразного напряжения

и тока

Пилообразное напряжение применяется для получения временной развертки в электроннолучевых трубках с электро­статическим отклонением, временной задержки и для других целей. Пилообразный ток применяется главным образом для получения временнбй развертки в трубках с электромагнит­ным отклонением (индикаторные устройства, телевизионные устройства и т. д.).

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН)

Получение пилообразного напряжения основано на заряде (разряде) конденсатора. В простейшей схеме (рис. 6.38, а) во время запирания лампы конденсатор С заряжается через /?_а, при отпирании быстро разряжается через лампу. На конден­саторе формируется пилообразное напряжение (рис. 6.38,6).

Для телевизионной развертки коэффициент нелинейности не должен превышать 0,1 (10%), для индикаторов радиоло­кационных станций 0,02—0,03 (2—3%), для схем точной временной задержки—0,001 (0,1%). В рассмотренном простей­шем генераторе е—Поэтому при практически целесообраз­ном использовании источника питания ((-^ 70-^80%) нели­нейность получается весьма большой. Такой каскад можно применять в устройствах, где требования к линейности не­высоки.

а также коэффициент нелинейности е, характеризующий от­носительное изменение скорости нарастания (сйада) в начале и в конце пилообразного напряжения:

Основным методом получения линейно изменяющегося на­пряжения является заряд (разряд) конденсатора постоянным током. Для стабилизации тока применяются токостабилизи- рующие элементы (пентод, транзистор), а также обратные связи.

ГПН с токостабилизирующим элементом. На рис. 6.39, а изображена схема с токостабилизирующим пентодом. При за­пирании лампы Л, конденсатор С разряжается через пентод практически постоянным током, так как анодные характери­стики пентода имеют малый наклон. На выходе формируется линейно падающее напряжение (рис. 6.39,6). При отпирании

Рис. 6.39. Генератор пилообразного напряжения с токостабилизирующим

пентодом:

а— схема; б — временные диаграммы напряжений

лампы Л_{ конденсатор С заряжается от источника Е_а. Мини­мальный коэффициент нелинейности около 1%. Уменьшение коэффициента нелинейности может быть получено примене­нием обратной связи в пентоде и дополнительного источника. В комбинации с заторможенным мультивибратором схема применяется в генераторах развертки некоторых осцилло­графов.

Аналогичная схема с токостабилизирующим транзистором изображена на рис. 6.40, а. В исходном режиме оба транзи­стора отперты, конденсатор С заряжен практически до на­пряжения источника. С приходом запускающего импульса транзистор ТI запирается и конденсатор С разряжается кол­лекторным током транзистора Г₂. Так как зависимость кол­лекторного тока от коллекторного напряжения невелика, то конденсатор разряжается по линейному закону (рис. 6.40,6).

Минимальный коэффициент нелинейности схемы также око­ло 1%.

Подключение нагрузки к конденсатору как в ламповой, так и в транзисторной схеме приводит к значительному по­вышению коэффициента нелинейности. Поэтому низкоомную нагрузку необходимо подключать через трансформирующий каскад (например, катодный повторитель). Регулировка ско­рости линейного напряжения осуществляется изменением ем­кости С, а также сопротивлениями /?_к (в ламповом ва­рианте) и /?_э (в транзисторном варианте).

ГПН с положительной обратной связью. При запирании коммутирующей лампы Л_х (рис. 6.41, а) начинается заряд конденсатора С. Для стабилизации тока используется ком­пенсирующее напряжение, подаваемое в цепь заряда с вы­хода катодного повторителя. Минимальный коэффициент не­линейности около 1%. Регулирование скорости нарастания напряжения осуществляется конденсатором С и сопротивле­нием /?. Одно из преимуществ схемы — хорошая нагрузочная способность (напряжение снимается с выхода катодного по­вторителя). Схема широко используется в канале развертки дальности индикаторных устройств РЛС.

Часто схема совмещается со спусковой схемой (рис. 6.42). В схеме роль коммутирующей лампы выполняет участок сет­ка— катод лампы Л₂. Исходное состояние: Л₂ отперта, Л_х за­перта. При подаче запускающего импульса Л_х отпирается, напряжение на сопротивлении/?^ возрастает, Л₂ запирается. Конденсатор С заряжается через катодный повторитель, как

Рис. 6.41. Генератор пилообразного напряжения с положительной обрат­ной связью: а— схема; б — временные диаграммы напряжений

Рис. 6.42. Спусковая схема, совмещенная с генератором пилообразного

напряжения; а —схема; б — временные диаграммы напряжений

в схеме рис. 6.41. Когда напряжение на участке сетка — катод лампы Л₂ достигнет уровня напряжения запирания, эта лам­па откроется, а Л_{ запрется. После восстановления заряда на конденсаторах схема придет в исходное состояние. При изме­нении /? и С одновременно со скоростью меняется и длитель­ность рабочего хода, а амплитуда 11_т не меняется, *что яв­ляется достоинством схемы.

Транзисторный вариант основной схемы аналогичен лам­повому (рис. 6.43). Чтобы уменьшить время восстановления заряда конденсатора С_ос, в цепь эмиттера рекомендуется

Рис. 6.43. Генератор пилообразного напряжения с положительной обрат ной связью на транзисторах: и схема, 6 — временные диаграммы напряжений

включать источник Е_э= 1,5-г-2 в, предотвращающий запира­ние эмиттерного повторителя во время восстановления схемы. Минимальный коэффициент нелинейности равен 1—2%.

ГПН с отрицательной обратной связью (рис. 6.44,а). В ис­ходном режиме лампа заперта по третьей сетке отрицатель­ным напряжением на конденсаторе, получающемся за счет применения схемы фиксации (диод Д). При подаче положи­тельного импульса лампа отпирается и конденсатор С раз­ряжается через сопротивление /? и лампу. За счет обратной связи, подаваемой с анода лампы в цепь разряда, происходит стабилизация разрядного тока и линеаризация выходного напряжения (рис. 6.44,6). Основное достоинство схемы — высокая линейность (может быть получен коэффициент не­линейности порядка сотых долей процента). Поэтому схема часто используется в устройствах точной переменной за­держки. Недостаток схемы — малая скорость изменения на­

пряжения и относительно большое время восстановления. По­следний недостаток устраняется за счет некоторого усложне­ния схемы (применение катодных повторителей и фиксаторов уровня).

Рассмотренная схема может быть совмещена со спуско­вым устройством, для чего необходимо создание дополнитель­ной петли положительной обратной связи. Эти устройства запускаются короткими импульсами, а длительность рабочего хода определяется параметрами схемы.

"дз

У

I дт

ивыг

Са

Рис. 6.44. Генератор пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью: а —схема, б — временные диаграммы напряжений

Распространение получили двухламповая схема (сана- строн) и особенно одноламповая схема (фантастрон). Один из вариантов фантастрона изображен на рис. 6.45, а. Катодный повторитель (лампа Л₂) служит для уменьшения времени восстановления. В исходном режиме лампа Л_{ заперта по защитной сетке и открыта по первой сетке. С приходом отри­цательного импульса происходит отпирание лампы и начи­нается разряд конденсатора С; процесс разряда линеари­зуется отрицательной обратной связью, подаваемой в цепь разряда с анода лампы Л_{ через катодный повторитель Л₂. Когда напряжение на аноде упадет до величины О_а\мни, при которой анодный ток перестает управляться напряжением на сетке, действие отрицательной обратной связи прекращается, напряжение на управляющей сетке быстро возрастает, соот-

ветственно возрастает и ток экранирующей сетки. Напряже­ние на экранирующей и связанной с ней защитной сетках уменьшается, и лампа скачком приходит в исходное состоя­ние, после чего конденсатор С достаточно быстро заряжается через катодный повторитель. Фантастрон используется глав­ным образом как устройство временной задержки. Длитель­ность рабочего хода, определяющая величину задержки, ре­гулируется сопротивлением /?, емкостью С, а также потен­циометром /?2» изменяющим исходное напряжение на аноде (рис. 6.45,6).

В генераторах пилообразного напряжения с отрицатель­ной обратной связью на транзисторах обычно используются составные транзисторы (два транзистора, соединенных по­следовательно), заменяющие пентод (рис. 6.46). Принцип ра­боты такой схемы в основном аналогичен ламповой. При усложнении схемы запуска возможно построение ГПН и на одном транзисторе.

Генераторы этого типа на транзисторах обеспечивают ли­нейность пилообразного напряжения на порядок ниже, чем соответствующие ламповые схемы (минимальный коэффи­циент нелинейности имеет величину порядка десятых долей процента).

Генераторы пилообразного тока (ГПТ)

Основное назначение ГПТ — создание пилообразного тока в отклоняющей катушке для получения временной развертки в электроннолучевых трубках индикаторных устройств РЛС, в телевидении и т. д. Для получения линейно изменяющегося тока на отклоняющую ка­тушку необходимо подавать трапецеидаль­ное напряжение (рис. 6.1, е). Поэтому ГПТ состоит из генератора трапецеидального напряжения (ГТН) и выходного каскада (усилителя тока). Схема ГТН может быть получена из схемы ГПН, если вместо емкости включить цепь кС (рис. 6.47). Величина начального скачка регулируется сопротивлением /?. Другим способом по­лучения трапецеидального напряжения яв­ляется суммирование пилообразного на­пряжения и прямоугольного импульса в смесителе.

Рис. 6.47. Цепь ЯС для получения тра­пецеидального на­пряжения

Рис. 6.49. Генератор пилообразного тока с отрицательной обратной

связью

Основное достоинство включения катушки в цепь анода — малая амплитуда входного сигнала, включения катушки в цепь катода — меньшие искажения тока. Обычно при медлен­ных развертках применяется включение катушки в анодную, при быстрых — в катодную цепь.

Нелинейность характеристик ламп выходных каскадов вносит заметные искажения в форму тока. Значительное по­вышение линейности достигается при включении выходного каскада в цепь обратной связи ГТН (рис. 6.49). В этой схеме положительная обратная связь для линеаризации трапецеи­дального напряжения снимает­ся с катодного выхода выход­ного каскада. Для повышения коэффициента усиления в цепи обратной связи и, следова­тельно, линейности включены усилители (на лампах Л₂ и Л₃). В схеме может быть по­лучен коэффициент нелиней­ности тока порядка десятых долей процента.

Схема ГПТ на транзисто­рах может быть собрана ана­логично соответствующим ламповым вариантам. Однако, при этом возникают трудно­сти, связанные с малым вход­ным сопротивлением транзи­стора. Поэтому на практике

применяются выходные каскады, совмещенные с ГТН (рис. 6.50). В исходном режиме транзистор заперт. При подаче входного импульса транзистор отпирается и через катушку протекает линейно нарастающий ток. Линейность схемы от­носительно невелика (коэффициент нелинейности 1—5%).

6.6. Управление импульсами Модуляция и демодуляция импульсов

Модуляцией называется изменение по определенному за­кону одного из параметров импульсов. Различают модуля­цию по амплитуде, длительности и фазе. Демодуляция — процесс выделения модулирующего сигнала.

Рис. 6.50. Генератор пилообраз­ного тока на транзисторах

ном ограничителе. Достоинства такого способа — простота схемы и линейность модуляционной характеристики, основ­ной недостаток — малая чувствительность. АИМ можно так­же получить, изменяя по закону модуляции коэффициент усиления усилителя. АИМ в ГПН осуществляется изменением напряжёния источника Е_а.

Демодуляция может быть осуществлена пик-детекторами. Хорошие результаты дает применение мостиковой схемы (рис. 6.51,а). Управляющее напряжение 11_у представляет со­бой немодулированные импульсы с амплитудой, превышаю­щей максимальную амплитуду модулированных импуль-

6

Рис. 6.51. Мостиковая схема демодуляции АИМ: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

сов 1)_т (рис. 6.51,6). На цепи автосмещения Я\С\ устанавли­вается напряжение, равное амплитуде управляющих импульсов. При подаче управляющего импульса диагональ сЛ моста оказывается короткозамкнутой и конденсатор С заря­жается от источника модулированных импульсов (или раз­ряжается через него, если И_ъых>1}_т). При отсутствии управ­ляющего напряжения все диоды заперты напряжением на цепи Н\С\ и напряжение на выходе остается практически по­стоянным. В результате на выходе выделяется огибающая модулированных импульсов (рис. 6.51,6).

Рис. 6.52. Блокинг-генератор с ШИМ:

а - схема; б — временные диаграммы напряжений

I I

1Д ц,,

И И

Рис. 6.53. Схема преобразования ШИМ в АИМ

рующее напряжение изменяет момент включения обратной связи и, следовательно, управляет длительностью импульса.

Демодуляция ШИМ обычно осуществляется предвари­тельным преобразованием ее в АИМ, которая демодулируется описанными выше способами. Преобразование ШИМ в АИМ можно осуществить, применяя генераторы линейно изменяю-» щегося напряжения (рих:. 6.53).

ив*

Уфнм

III I

I I I

41 ц ^ У/ !>'

»

Рис. 6.55. Преобразование ФИМ в ШИМ при помощи триггера: и — схема; б — временные диаграммы напряжений

Рис. 6.56. Преобразование ФИМ в АИМ: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

Модуляция по фазе —ФИМ. ФИМ заключается в измене­нии временного положения каждого импульса модулирован­ной последовательности импульсов по отношению к периоди­ческой немодул ированной последовательности импульсов. ФИМ может быть получена из ШИМ путем дифференциро­вания с последующим ограничением (рис. 6.54). При демо­дуляции обычно осуществляется предварительное преобразо­вание ФИМ в ШИМ или в АИМ. ФИМ в ШИМ можно пре­образовать при помощи триггера (рис. 6.55).

Для преобразования ФИМ в АИМ можно использовать устройство, состоящее из ГПН, коммутатора и накопителя (емкости). Запуск ГПН осуществляется периодической по­следовательностью импульсов, а коммутирование (подклю­чение накопителя к ГПН) — модулированной последователь­ностью импульсов. В результате на накопителе выделяется огибающая модулированного напряжения (рис. 6.56).

Селекция импульсов

Под селекцией импульсов понимается выделение из по­следовательности импульсов лишь тех, которые отличаются определенным признаком (определенной амплитудой, дли­тельностью и т. д.). Селекция применяется при автосъеме координат в радиолокации, в импульсной связи, в телевиде­нии и т. д.

Амплитудная селекция. Для селекции импульсов, ампли­туда которых превышает определенную величину, может быть использован любой из ограничителей снизу. Для селекции импульсов, амплитуда которых меньше заданной величины, можно применить схему, изображенную на рис. 6.57, а. Если амплитуда импульса больше заданного уровня, расширитель импульсов (заторможенный мультивибратор) запускается и вырабатывает импульс, запирающий усилитель. Если ампли­туда входного импульса меньше заданной величины, то рас­ширитель не срабатывает и на выходе усилителя появляется импульс (рис. 6.57,6).

Селекция по длительности. Простым способом селекции импульсов с длительностью, превышающей заданную вели­чину, является применение ГПН с последующим ограниче­нием (рис. 6.58). Для этой же цели применяется схема с искусственной цепочечной линией ИЦЛ (рис. 6.59, а), до­стоинством которой является высокая стабильность. Если входной импульс превосходит двойную длительность задерж­ки ИЦЛ, то на нагрузке произойдет сложение входного им­пульса с импульсом, отраженным от конца линии, и на вы­ходе ограничителя (лампа Л₂) появится импульс (рис. 6.59, б). Если длительность импульса меньше, чем двойная длитель­

ность задержки ИЦЛ, то сложение не произойдет и на вы­ходе импульса не будет.

Если необходимо селектировать импульс с длительностью, меньшей заданной величины, то могут быть использованы

II I) И II

сел

Усилитепь

ивых

огр

т* Тя тг

т; >?т₃

е_а

Л,

I I

НАЛ

Еа

Рйс. 6.60. Временная селекция: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

дают с селекторным импульсом. Для временной селекции при­меняют два способа. Первый состоит в сложении входного и селектирующего импульсов с последующим ограничением (рис. 6.60). Второй способ основан на использовании ключе­вых схем совпадения (схем «И»), описанных ниже.

Рис. 6 61. Блок-схема селекции по частоте повторения импульсов

Селекция по частоте повторения. Для выделения из после­довательности импульсов таких импульсов, которые имеют

определенную частоту повторения = можно приме-

* и

нить схему с цепью задержки Т₃ = Т_И и временным селекто­ром (рис. 6.61).

Устройства сравнения (амплитудные компараторы)

Эти устройства служат для получения перепада напряже­ния (тока) в момент равенства входного напряжения и опор­ного (постоянного или медленно меняющегося). Основное применение компараторов — получение временной задержки.

Рис. 6.62. Диодио-рггенеративный компаратор: а — схема; 0 — временные диаграммы напряжений

В качестве компаратора может быть использована схема огра­ничителя-усилителя или несимметричный триггер (рис. 6.28).

Высокую крутизну перепада в момент сравнения обеспе­чивает диодно-регенеративный компаратор (рис. 6.62). До момента сравнения диод Д\ заперт и цепь обратной связи разомкнута. В момент сравнения входного напряжения с опорным 1!₀ диод отпирается, цепь обратной связи замы­кается и в схеме происходит скачок, как в обычном блокинг- генераторе.

Устройства временной задержки

Устройства временной зедержки применяются для времен­ной селекции, импульсных измерений, согласования работы импульсных устройств, разделения каналов при импульсной связи и т. д. Временная задержка может быть получена при помощи линий задержки, электронных схем задержки и фа­зовращателей.

Линии задержки подразделяются на электрические и ультразвуковые. В качестве электрических линий задержки в основном применяются искусственные цепочечные линии ИЦЛ (рис. 6.9). Длительность задержки

Т₃ = пУЦС~_я. (6.23)

ИЦЛ в основном применяются при задержках не более 10—20 мксек. При больших временных задержках линии по­лучаются громоздкими. Для получения весьма малых задер­жек (десятые доли микросекунды) могут использоваться и линии с распределенными параметрами (простые кабели и кабели со спиральной обмоткой).

Рис. 6.63. Пьезоэлектрическая лнния задержки:

/ — модулятор; 2 — генератор: 3 — передающая кварцевая пластина;

4 — звукопровод; 5 — приемная кварцевая пластина; 6 — усилитель- детектор; 7 — формирователь

Для получения больших длительностей задержки (сотни и тысячи микросекунд) используются ультразвуковые линии. Их действие основано на преобразовании электрического сиг­нала в звуковое колебание звукопровода. В ультразвуковых линиях с пьезоэлектрическими преобразователями преобразо­вание осуществляется пластиной кварца (рис. 6.63). В кэче-

мксек

стве звукопровода применяются ртуть (Д,=6,7 _см ; затухание 5 = 0,083 плавленный кварц (^З^г^; 5 = 0,007-^),

магниевые сплавы 1,7^МК**^К ; 5 = 0,01—0,2 .

Для увеличения задержки используются звукопроводы с многократными отражениями (рис. 6.64).

В магнитострикционных ультразвуковых линиях задержки (рис. 6.65) используется явление магнитострикции (измене­ние размеров ферромагнитных тел под воздействием магнитного поля). В качестве звукопровода обычно используется тонкая (диаметром в несколько десятых долей миллиметра) никелевая

проволока ^м*™^к ; 5 = 0,2—

—увеличения эффек­тивности преобразования на пе­редающем и приемном концах создаются постоянные магнит­ные поля. При установке вдоль линии нескольких приемных ка­тушек можно получить различ­ные временные задержки. Электронные схемы задержки позволяют получить за­держку от нескольких микросекунд до нескольких секунд. Достоинства таких схем — их простота и возможность регу­лирования задержки в широких пределах, недостаток — ма-

5 ^{4 4 4} 5

, ЯШШ

¹1^ГХ\ \^Х1\ [^Я1 31

щ*г* ^ з 1

Рис. 6.65. Магнитострикционная линия задержки:

/ — звукопровод; 2 —передающая катушка; 5 — приемные ка­тушки; 4 — постоянные магниты; 5 — звукопоглотители

лая по сравнению с линиями стабильность. В качестве элек­тронной схемы задержки можно использовать амплитудный компаратор с входным напряжением, изменяющимся по ли­нейному закону. Изменением уровня сравнения регулируется время задержки. Временная нестабильность таких схем о=

линия задержки с многократ­ным отражением

Временная задержка может быть получена также при по­мощи спусковых схем (рис. 6.22) и фантастрона (рис. 6.45). Для этой цели выходной импульс указанных схем дифферен-

Рис. 6.67. Временная задержка при помощи амплитудных компа­раторов:

и дых

цируется. Импульс, полученный при дифференцировании сре­за, будет задержан относительно входного на величину (рис. 6.66). Регулированием длительности импульса можно изменять время задержки. Нестабильность задержки спусковой схемы о= 1-^-5%; у фантастрона о = 0,1-»-1%.

Высокая стабильность и хорошая линейность регулировки за­держки— основные причины широкого использования фан­тастрона в качестве схемы временной задержки.

Временная задержка при по­мощи фазовращающих устройств обеспечивает переменную задержку с высокой стабильностью (о = = 0,01 -т-0,001 %). Принцип задерж­ки основан на сдвиге фазы синусои­дального напряжения относительно исходного с последующим преобра­зованием синусоидального напря­жения в импульсы при помощи амплитудных компараторов (рис. 6.67). В качестве простейшего фа­зовращателя применяется мостико- вая схема (рис. 6.68). Сопротивлением /? можно изменять фазу в пределах от 20 до 160°. В индуктивном фазовращателе (сельсин-трансформаторе) поворотом ротора можно менять фазу на 360°. Наибольшей стабильностью (о = 0,005%) обла-

Рис. 6.69. Емкостный фазовращатель

дает емкостный фазовращатель (рис. 6.69). На неподвижные секторы подаются синусоидальные напряжения, сдвинутые на 90°. Фаза выходного напряжения меняется в пределах 360° поворотом ротора из диэлектрика.

Деление частоты повторения импульсов

Деление частоты повторения применяется для согласова­ния работы импульсных устройств, для получения масштаб­ных отметок, при измерении временных интервалов и т. д. В качестве делителей частоты наиболее часто используют синхронизированные генераторы, схемы с устойчивыми со­стояниями равновесия (триггеры) и схемы со ступенчатым накоплением энергии.

Синхронизированные генераторы являются делителями ча­стоты при синхронизации кратности п> 1 (рис. 6.37).

Чем выше кратность синхронизации (т. е. чем больше коэффициент деления делителя), тем меньше устойчивость коэффициента деления. Практически устойчивый коэффи­циент деления при синхронизации не превосходит 5—7. При применении стабилизирующих устройств (линии задержки, контуры ударного возбуждения) эта величина может быть повышена до 8—10.

К этому же классу схем относятся делители частоты на генераторах в заторможенном режиме. В этом случае на ге­нератор (например, спусковую схему рис. 6.22) подаются за­пускающие импульсы с длительностью _ч периода повторения меньшей, чем длительность генерируемого импульса, и сра­батывание схемы поэтому происходит не от каждого запу­скающего импульса. После дифференцирования на выходе появляются импульсы, имеющие меньшую частоту повторе­ния. Такие делители обеспечивают устойчивый коэффициент деления, равный 10—15. Достоинством их перед синхрони­зированными генераторами является также то, что при от­сутствии запускающих импульсов импульсы на выходе отсут­ствуют, сигнализируя о неисправности аппаратуры. Генера­торы в таком случае продолжают генерировать, хотя синхро­низация нарушена.

Общий недостаток делителей этого класса — изменение коэффициента деления при изменении частоты синхронизи­рующих импульсов.

Для деления частоты при помощи триггеров используют счетный запуск. Коэффициент деления равен двум. Достоин­ства такого делителя — стабильность работы схемы и неза­висимость коэффициента деления от частоты повторения за­пускающих импульсов, недостаток — небольшая величина коэффициента деления.

Делители с накопителями энергии используют ступенча­тый заряд емкости (рис. 6.70,а). В исходном режиме лампа блокинг-генератора заперта напряжением 1/_к. С приходом запускающего импульса накопительный конденсатор С заря­жается, а по окончании импульса практически не разря­жается. С приходом каждого импульса напряжение на конден­саторе и, следовательно, на сетке лампы растет (рис. 6.70,6). Когда напряжение сетка — катод достигнет напряжения за­пирания, в блокинг-генераторе произойдет скачок. При этом на выходе образуется короткий импульс, накопительный кон­денсатор токами сетки разрядится и схема придет в исходное состояние. Устойчивый коэффициент деления схемы ра­вен 6—8. Достоинство схемы — практическая независимость коэффициента деления от частоты входных импульсов; недо­статок— чувствительность к изменениям параметров запу­скающих импульсов и питающих напряжений.

Рис. 6.70. Делитель частоты с накопителем энергии: а — схема; б — временные диаграммы напряжений

Рис. 6.71. Логические элементы НЕ: а — диодно-трансформаторный; б — на электронной лампе; в — на транзисторе

Логические элементы

Логические элементы широко применяются в ЭВМ, в устройствах бесконтактной коммутации и т. д. Они представ­ляют собой ключевые схемы с несколькими входами и одним выходом и реализуют логические операции. Сигналы на входе и выходе ключевых схем могут иметь два значения, поэтому они кодируются в двоичной системе счисления цифрами 0 и 1. Логические схемы подразделяются на потенциальные (сиг­налы на входе и выходе — потенциалы), импульсные (сигна­лы на входе и выходе — импульсы) и потенциально-импульс- ные. Основные операции, реализуемые логическими элемен­тами,— НЕ, ИЛИ, И. На основе этих операций могут выпол­няться любые сложные логические операции.

Логический элемент НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Для потенциального элемента при высоком вход­ном потенциале на выходе должен быть низкий потенциал; для импульсного элемента импульс на выходе имеет поляр­ность, противоположную входному. В диодно-трансформатор- ной схеме (рис.- 6.71, а) используется встречное включение обмоток, в схемах на лампе и транзисторе (рис. 6.71, бив) — инвертирующие свойства этих устройств. Диодно-трансфор- маторная схема является только импульсным логическим эле­ментом. Ламповая и транзисторная схемы могут использо­ваться как потенциальный или как импульсный элемент.

Логический элемент ИЛИ (схема объединения) имеет два и более входов и один выход. Сигнал на выходе должен быть при подаче импульса на любой вход. Диодно-реостатная (рис. 6.72,а), диодно-трансформаторная (рис. 6.72,6), лам­повая и транзисторная схемы (рис. 6.72,6 и г) работают на общую нагрузку. При подаче сигнала на любой вход появ­ляется сигнал на общем выходе. В феррит-диодном элементе ИЛИ (рис. 6.72,5) амплитуды входных импульсов выбраны таким образом, что каждый из них перемагничивает сердеч­ник, т. е. любой из них производит запись информации о сиг­нале. Тактовым импульсом информация списывается на вы­ход. Логический элемент ИЛИ на туннельном диоде представ­ляет собой триггер с несколькими входами. В схеме ИЛИ амплитуды входных сигналов выбраны такой величины, что каждый в отдельности вызывает переброс триггера в состоя­ние с высоким выходным потенциалом.

273

10—93

Рис. 6.72. Логические элементы ИЛИ:

ю

а — дмодно-реостэтный; б — диодно-трансформаторный; в — на электронных лампах; г — на транзисторах; д — феррит-диодный; е — иа тун­нельном диоде

и

II

•м

вых

трансформаторной схеме (рис. 6.73, б) амплитуды входных импульсов меньше напряжения источника Е, а их суммарная амплитуда больше Е. При отсутствии одного из импульсов диод заперт, ток в первичной обмотке и, следовательно, им­пульс на выходе отсутствуют. При одновременной подаче импульсов диод отпирается и на выходе появляется импульс.

В схеме на пентоде (рис. 6.73, в) лампа отпирается только при одновременной подаче импульсов на первую и третью сетки.

В схеме на триодах и транзисторах (рис. 6.73, г и д) в исходном режиме триоды (транзисторы) отперты. Только при одновременном запирании всех ламп (транзисторов) на вы­ходе снимается импульс.

Логические элементы И на ферритах и туннельных диодах не отличаются от элементов ИЛИ (рис. 6.72, д и е), но ампли­туды входных сигналов выбраны таким образом, что лере- магничивание сердечника феррита (или переброс туннель­ного диода) осуществляется только при одновременной по­даче импульсов на все входы.

В последнее время начали внедряться новые ключевые логические элементы — параметрон и элементы, основанные на явлении сверхпроводимости.

Параметроны представляют собой контур, в котором при периодическом изменении индуктивности (или емкости) воз­никают колебания с фазами, сдвинутыми на 180° (тг), причем фаза колебаний зависит от начальных колебаний (сигнала) небольшой амплитуды. Колебания с нулевой фазой принима­ются за сигнал «0», с фазой тг — за сигнал «1». Достоинства таких схем — надежность, высокое быстродействие и помехо­устойчивость, недостаток — необходимость мощных модули­рованных источников высокочастотных колебаний.

В ключевых элементах, основанных на явлении сверхпро­водимости (криотрон, персистор), состояние нормальной про­водимости принимается за сигнал «0», состояние сверхпрово­димости— за сигнал «1». Из одного состояния в другое эле­менты переводятся магнитным полем, создаваемым протекающим через них током. Достоинства этих элементов — надежность, экономичность, малые габариты, недостатки — малое быстродействие и необходимость в установках глубо­кого охлаждения (порядка единиц градусов абсолютной тем­пературы).

Г лава VII

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

7.1. Классификация радиолокационных передающих устройств

Радиолокационные передатчики в зависимости от их ра­бочего диапазона подразделяются на метровые, дециметро­вые, сантиметровые и миллиметровые.

Современные радиолокационные передатчики работают в импульсных режимах. По виду модуляции различают им­пульсные, импульсно-частотные и импульсные фазокодовые передатчики.

В зависимости от построения генераторной части передат­чики бывают однокаскадными или многокаскадными.

Однокаскадные генераторы работают в автоколебатель­ных режимах.

Многокаскадные генераторы работают в режимах усиле­ния колебаний с посторонним (внешним) возбуждением.

Передатчики классифицируют и по виду генераторного прибора в выходном каскаде. В соответствии с этим разли­чают передатчики:

• ламповые;

• магнетронные;

• клистронные;

• платинотронные и т. п.

Блок-схема однокаскадного импульсного передатчика изо­бражена на рис. 7.1. В качестве генераторов СВЧ здесь могут использоваться триодные генераторы, магнетроны, лампы об­ратной волны (ЛОВ), стабилитроны и другие генераторные приборы.

Высокочастотные колебания от генератора СВЧ подаются через фидерное устройство в антенну (АФУ).

Управляется генератор СВЧ импульсным модулятором (ИМ).

Источником питания (ИП) для передатчика обычно яв­ляется мощный высоковольтный выпрямитель.

Запускается импульсный модулятор от подмодулятора (ПМ).

Работа передатчика и индикатора синхронизируется от общего синхронизатора.

К АФУ

От синхрони­затора

I От сети (агрегата) Рис. 7.1. Блок схем а однокаскадного импульсного передатчика

Возбудитель

УМ

Рис. 7.2. Блок-схема многокаскадного импульсного передатчика

Многокаскадные радиопередающие устройства строятся по блок-схеме, изображенной на рис. 7.2.

Выходной генератор СВЧ, основной импульсный модуля­тор, источник питания и цепи управления, блокировки и сиг­нализации в этом передатчике по назначению аналогичны со­ответствующим блокам однокаскадного импульсного передат­чика и могут отличаться лишь электрическими и техниче­скими данными.

Выходной генератор многокаскадного передатчика рабо­тает в усилительном режиме, а следовательно, возбуждается от постороннего источника колебаний СВЧ. В данном случае возбудитель представлен задающим генератором (ЗГ), ка­скадами умножения частоты (УЧ) и усиления мощности (УМ). Эти каскады могут работать в непрерывном или им­пульсном режиме. В последнем случае в определенных ка-

спадах умножения и усиления производится импульсная мо­дуляция колебаний с помощью импульсных модуляторов (ИМ), входящих в состав возбудителя.

В выходном генераторе могут использоваться триоды, про­летные клистроны, амплитроны, ЛБВ и другие усилительные приборы. Тех же типов приборы, но меньшей мощности при­меняются в усилительных и умножительных каскадах возбу­дителя.

В задающих генераторах, которые представляют собой автогенераторы СВЧ малой мощности с повышенной стабиль­ностью частоты, находят применение триоды, стабилотроны и другие генераторные приборы.

Запуск импульсных модуляторов может быть от различ­ных подмодуляторов или от одного подмодулятора. Возможен также запуск последую-

Рис. 7.3. Схема триодного генера­тора СВЧ:

/ — лампа; 2 — анодно-сеточный контур; 3 — сеточно-катодный контур; 4 и з — плунжеры настройки; 6 — высокочастотный вывод; 7 — емкостный штырь; 8 — разде­лительные конденсаторы

щих импульсных модуля­торов от предыдущих.

7.2 ТРЙОДНЫЕ ГЕНЕРА­ТОРЫ СВЧ

В метровом и деци­метровом диапазонах ра­диоволн находят широкое применение триодные ге­нераторы СВЧ.

Автогенераторы СВЧ чаще всего строятся по схеме с общей сеткой (рис. 7.3). Лампа 1 с коаксиальными анодно- сеточным 2 и сеточно- катодным 3 резонатора­ми образуют замкнутую колебательную систему. Настройка автогенерато­ра производится путем изменения длины анодно- сеточного контура с по­мощью плунжера 4. Ре­гулировка коэффициента обратной связи, а следо­вательно, и режима его работы осуществляется изменением положения плунжера 5 сеточно-ка- тодного контура. Естест­венно, при перемещении

плунжера 5 несколько изменяется и рабочая частота авто­генератора.

Энергия СВЧ колебаний от генератора к антенне пере­дается через высокочастотный вывод 6.

Обратная связь между анодно-сеточным и катодно-сеточ- ным контурами обеспечивается междуэлектродными емкостя­ми лампы. Часто для ее увеличения используются индуктив­ные или емкостные элементы.

В рассматриваемом автогенераторе для этой цели исполь­зуются емкостный штырь 7 с небольшим диском на конце.

Внешний цилиндр колебательной системы обычно зазем­ляется. В таком случае между этим цилиндром и анодом лампы должен быть разделительный конденсатор, который условно на рис. 7.3 представлен диэлектрической проклад­кой <?.

Анодное напряжение +Е_а обычно подводится к радиатору лампы, конструктивно соединенному с ее анодом.

Накал лампы осуществляется переменным напряже­нием -*/„.

Смещение ца сетку задается автоматически с помощью сопротивления /?_с. В качестве разделительной емкости в се­точной цепи используется емкостный плунжер 5.

В импульсном режиме в метровом диапазоне мощность триодных генераторов СВЧ может достигать нескольких ме­гаватт.

К. п. д. триодных генераторов сравнительно невысок: до 50% на волнах длиннее 30 см и низкий на менее коротких волнах.

Стабильность частоты ламповых генераторов СВЧ вы­сокая.

В табл. 7.1 приведены данные генераторных импульсных СВЧ триодов.

7.3. ТЕТРОДНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ СВЧ

В нижней части метрового диапазона и в дециметровом диапазоне волн находят применение тетродные генераторы. Они используются в непрерывном режиме и отдают большие мощности.

Тетродные автогенераторы собираются по схеме с общей сеткой. Часто в них используются лучевые тетроды. Вторая (экранирующая) сетка соединяется по постоянному напряже­нию с анодом, чем достигается большое ускорение электро­нов на участке между сетками. Это позволяет сократить вре­мя пролета электронов от второй сетки до анода, повысить электронный к. п. д., а следовательно, и общий к. п. д. гене­ратора. К. п. д. тетродных генераторов более высокий, чем триодных.

Тетродные генераторы с цельнометаллическими лучевы­ми тетродами, электроды которых составляют части замкну­тых резонаторов, а генераторы в целом представляют вакуум­ную систему, называются резнатронами.

Схема резнатрона приведена на рис. 7.4. Электронная си­стема его представляет собой двойной тетрод.

Емкостная обратная связь осуществляется с помощью штырей 8. Сеточно-катодный резонатор имеет емкостную под­стройку 9. Перестройка в диапа­зоне осуществляется с помощью поршней 6, закорачивающих анод- но-сеточный резонатор.

Рис. 7.5. Конструкция магнетрона:

/ —каюд; 2 — анодный блок с резонаторами; 3 — связки:

4. — выходное устройство;

5. — резонатор; 6 — щель; 7 —

накальные выводы

многорезонаторныи магнетрон.

Многорезонаторный магнетрон (рис. 7.5) состоит из подо­гревного оксидного катода /, анодного блока 2 со связками 3 и выходного устройства 4 для вывода высокочастотной энер­

гии. Диапазонные магнетроны имеют также механизм пере­стройки. Пространство между катодом и анодным блоком на­зывается пространством взаимодействия.

Управление электронами в магнетроне осуществляется пу­тем воздействия на электронный поток постоянных электри­ческого и магнитного полей. Эти поля действуют в плоско­стях, перпендикулярных друг другу (скрещенные поля). Элек­трическое поле направлено радиально от анодного блока к катоду. Магнитное поле, равномерное в пространстве взаимо­действия, направлено вдоль катода.

В управлении электронным потоком участвует также вы­сокочастотное поле резонаторов. Электронный поток в гене­рирующем магнетроне имеет «спи- цеобразный» вид (рнс. 7.6) и вра­щается в пространстве взаимодей­ствия. В пределах «спиц» электроны совершают сложные эпициклои- дальные движения.

Движущиеся электроны, приоб­ретая кинетическую энергию от импульсного модулятора, взаимо­действуют с высокочастотным элек­трическим полем резонаторов и по­полняют энергию поля.

Степень взаимодействия элек­тронов с высокочастотным полем, а следовательно, и энергия, которую они ему отдают, зависит как от ве­личины электрического напряжения между анодом и катодом, так и от величины напряженности магнитного поля. Высоко­частотное поле резонаторов в свою очередь улучшает условия отдачи энергии электронами этому полю, группируя электро­ны вокруг тех из них, которые наиболее эффективно взаимо­действуют с полем резонаторов.

Схема магнетронного генератора приведена на рис. 7.7, а. Анодный блок является корпусом магнетрона и, как правило, заземляется. Высокое импульсное напряжение отрицательной полярности прямоугольной формы подается от импульсного модулятора на катод магнетрона.

Магнитное поле создается внешним постоянным магни­том ¹.

Рис. 7.6. Вращающийся электронный поток гене­рирующего магнетрона

Другие практические схемы магнетронных генераторов бо­лее сложные. На рис. 7.7,6 изображена схема, где высокое

напряжение от модулятора подается через двойную вторич­ную обмотку (3—5; 4—6) импульсного трансформатора. Мил­лиамперметр измеряет средний ток /_аСр магнетрона, связан­ный с импульсным соотношением

(7.1)

*а_ср и^ла>

где т_и, Ри — длительность и частота повторения импульсов.

Рис. 7.7. Схемы магнетронных генераторов: о —с непосредственной подачей высокого напряжения; б —с подачей высокого напряжения от модулятора че­рез импульсный трансформатор

Рабочие характеристики представляют собой семейства графических зависимостей анодного напряжения Е_а от анод­ного тока /_а при постоянных значениях*

• магнитной индукции;

• колебательной мощности;

• к. п. д.;

• частоты.

Они снимаются при неизменной нагрузке магнетрона.

Типичные рабочие характеристики магнетрона приведены на рис. 7.8.

Зависимость между током магнетрона и напряжением на магнетроне при постоянных значениях магнитной индукции близка к линейной и представлена почти горизонтальными линиями, расположенными тем выше, чем больше магнитная индукция.

При одной и той же В с увеличением Е_а резко растет /_а. Это объясняется тем, что с увеличением анодного напряже­ния все большее количество электронов выходит из электрон­ного облачка, окружающего катод, и участвует в обмене энергией с высокочастотным полем резонаторов. При этом растут, естественно, колебательная и подводимая мощности. К- п. д. магнетрона т) сначала растет, а затем, пройдя через свой максимум, падает. Понижение к. п. д. при малых зна­чениях тока объясняется тем, что в этих режимах работы магнетрона высокочастотные поля резонаторов еще сравни­тельно слабы и их группирующее действие на пространствен­

Рис. 7.8. Рабочие характеристики магнетрона

ный заряд незначительно. Снижение к. п. д. в области боль­ших значений тока /_а объясняется тем, что при большом токе усиливается взаимное расталкивание электронов в спицах пространственного заряда, вследствие чего общее группиро­вание электронов ухудшается.

Кривые, соответствующие Я = сопз1, напоминают гипербо­лы и показывают, что с повышением напряжения Е_а и маг­нитной индукции В колебательная мощность магнетрона воз­растает.

Кривые Д/ = соп$1 отражают зависимость частоты магне­трона от режима его работы. Они имеют сложный характер и могут сильно отличаться от серии к серии магнетронов од­ного типа, от экземпляра к экземпляру их, а поэтому не всегда приводятся на рабочих характеристиках.

Имея рабочие характеристики, можно в процессе экс­плуатации магнетронного генератора предвидеть, какие из­менения в работе передающего устройства повлечет за собой изменение того или иного параметра режима магнетрона.

Пример. От магнетрона, рабочие характеристики которого изобра­жены на рис. 7.8, необходимо получить колебательную мощность N «900 кет. Анодное напряжение Е_а можно регулировать от 0 до 30 кв. Магнитная система создает поле с магнитной индукцией 5 = 0,27 та, ко­торое можно регулировать в пределах ±0,02 тл.

В таком случае целесообразно выбрать следующий режим магнетро­на: 5=0,27 тл\ =27,5 ке\ /„ = 62 а.

Такой режим обеспечивает работу магнетрона с достаточно высоким к. п. д. (~53%) и несколько пониженным током.

Пример. Магнетрон из режима, указанного в предыдущем примере, необходимо перевести в режим с колебательной мощностью Я =1000 кет.

Лучше всего это сделать одновременным повышением анодного на­пряжения и магнитной индукции до значений Е_а — 29 кв и 5 = 0,28 тл. Импульсный анодный ток при этом будет /_а~64 а. При этом к п. д. прак­тически сохранится прежним.

Если же оставить 5 = 0,27 тл и повысить только анодное напряжение до Е_а=28 кв, то заданная колебательная мощность Я=1000 кет будет получена при пониженном к. п. д. Ток через магнетрон в этом случае возрастет до /_а = 74 а, что больше предельно допустимого значения (/а доп = 70 а).

Использование магнетрона при токах больше допустимых заметно сокращает его долговечность, а поэтому запре­щается.

Электронное смещение частоты. Электронным смещением частоты (э. с. ч.) называют явление изменения генерируемой частоты при изменении режима работы магнетрона. Оно оце­нивается коэффициентом э. с. ч. к/, который определяется как отношение приращения частоты Д/ к соответствующему

и А/

приращению импульсного тока магнетрона, т. е.

В магнетронах его оценивают, пользуясь соотношением

(7.2)

где ! и 1_а— номинальные значения.

В зависимости от диапазона практически &/ = 0,05— 0,3 Мгц/а. Эти значения к₁ считаются большими и отражают существенный недостаток магнетронов — зависимость их ча­стоты от режима работы.

Нагрузочные характеристики магнетрона. Выходная мощ­ность и частота колебаний магнетрона зависят от величины и характера сопротивления внешней нагрузки.

Магнетрон всегда соединяется с нагрузкой коаксиальной или волноводной линией передачи. В таком случае нагрузку удобно представлять модулем коэффициента отражения (4.7) и его фазой (4.6). Поэтому и зависимость генерируемой мощности Р и частоты / магнетрона от нагрузки графически представляют в полярных координатах диаграммы Вольперта (рис. 4.6).

Семейства кривых Р и в полярной системе координат при постоянном значении анодного тока и напряженности магнитного поля называют нагрузочными характеристиками (рис. 7.9). Обычно они снимаются при пониженных мощно­стях, так как при больших рассогласованиях нагрузки воз­никают большие перенапряжения в линии передачи. Из на­грузочных характеристик видно, что при самых больших для данного магнетрона значениях мощности его частота резко изменяется при изменении фазы и модуля коэффициента от­ражения. В области наименьших для данного магнетрона мощностей стабильность его частоты повышается.

270°

90^с

Рис. 7.9. Нагрузочные характеристики магне­трона

Учитывая соотношение (4.15), часто нагрузочные характе­ристики строят в плоскости: Л'_сть фаза коэффициента отра­жения.

Затягивание частоты магнетрона. Явление изменения ге­нерируемой частоты при изменении нагрузки магнетрона на­зывается затягиванием частоты магнетрона. Оно оценивается коэффициентом затягивания частоты Р₃.

Коэффициентом затягивания частоты называется общее изменение частоты при изменении фазы коэффициента отра­жения на 360° при неизменном его модуле, равном 0,2

(^(свн= 1»5).

Коэффициент Р₃ определяется по нагрузочным характе­ристикам. Он равен разности частот кривых Д^=сопз1, каса­тельных к окружности, соответствующей коэффициенту отра­жения /? = 0,2. Например, для магнетрона, характеристики ко­торого изображены на рис. 7.9, /⁷₃=12 Мгц.

Коэффициент Р₃ магнетронов сантиметрового диапазона 7—15 Мгц. Это весьма большая величина. Она отражает вто­рой недостаток магнетронов — сильную зависимость их ча­стоты от нагрузки.

В процессе эксплуатации магнетронов необходимо внима­тельно контролировать режим высокочастотного тракта ра­диопередающего устройства и не допускать работу при коэф­фициенте отражения /р/>0,2.

При каждой смене магнетрона следует тщательно на­страивать фидерную систему, добиваясь возможно меньшего значения коэффициента отражения.

В табл. 7.2 приведены характерные данные типовых ре­жимов работы импульсных магнетронов.

Таблица 7.2

Характерные данные типовых режимов работы импульсных магнетронов

Диапазонные магнетроны. Частота колебаний, генерируе­мых магнетроном определяется параметрами его колебатель­ной системы. Колебательную систему магнетрона составляют резонаторы анодного блока, связки, пространство взаимодей­ствия и торцовое пространство. Основными частями ее явля­ются резонаторы и связки. Изменяя параметры резонаторов и связок, можно перестраивать магнетрон в диапазоне ча­стот.

Магнетроны большой мощности имеют механическую пе­рестройку по частоте. Она осуществляется путем введения в конструкцию магнетрона подвижных элементов, связанных с резонансной системой и изменяющих реактивные парамет­ры последней. Используется изменение емкости связок, индуктивности и емкости резонаторов, реактивных парамет­ров дополнительных настроечных элементов.

Механизм перестройки путем изменения емкости связок поясняется на рис. 7.10.

В магнетроне с двойными кольцевыми связками 2 ем­кость последних изменяется посредством кольца 3, вводимого между связок. Введение кольца между связок эквивалентно уменьшению расстояния между ними, а следовательно, при­водит к увеличению емкости связок и всей колебательной системы магнетрона.

5

Рис. 7.10. Элементы перестройки магне­трона:

/—анодный блок; 2 — двоПные связки; 3 — под­строенное кольцо; 4 — подвижное вакуумное уплотнение; 5 — винт перестройки

Изменением емкости связок частоту магнетрона можно перестраивать в пределах 5%. Одновременным изменением индуктивности резонаторов, емкости щелей и связок можно обеспечить перестройку магнетронов в пределах 10—15% от средней частоты.

7.5. КЛИСТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В качестве приборов СВЧ весьма большой мощности в на­стоящее время применяются многорезонаторные пролетные клистроны.

Устройство современного четырехконтурного клистрона показано на рис. 7.11.

Электронный поток, выходящий из электронной пушки /, перемещается под воздействием напряжения, действующего между коллектором 2 и катодом. Фокусировка потока осу­ществляется магнитным полем катушек 3 электромагнита. Стенки резонаторов 4 прозрачны для электронного потока.

В первом резонаторе электронный поток модулируется по скорости высокочастотным полем, создаваемым высоко­частотным напряжением, подаваемым на вход клистрона.

В пространстве дрейфа между первым и вторым резонатором модуляция электронного пучка по скорости превращается в модуляцию по плотности. Электронный поток, плотность ко­торого меняется по гармоническому закону, перемещаясь во втором резонаторе, возбуждает в нем высокочастотные коле­бания. Мощность их при определенных конструктивных пара­метрах и режиме клистрона значительно больше мощности колебаний первого резонатора.

Рис. 7.11. Устройство пролетного клистрона:

/ — электронная пушка; 2 — коллектор; 3 — фокусирующие катушки; 4 — резона­торы; 5 — вводное устройство; 6 — выходное устройство; 7 — вход и выход воды

Во втором резонаторе происходит углубление модуляции электронного потока по скорости, которая в пространстве дрейфа между вторым и третьим резонатором преобразуется в модуляцию по плотности.

Электронный поток, модулированный по плотности, энер­гия которого возрастает от резонатора к резонатору, в по­следнем резонаторе возбуждает высокочастотные колебания, которые через выходное устройство 6 подаются в фидерную систему.

Усиление клистронов зависит от числа резонаторов и со­ставляет от 15 до 90 дб. К. п. д. клистронов 40% и более.

Клистроны разрабатываются во всех диапазонах СВЧ. Мощность клистронов в 10-сантиметровом диапазоне дости­гает 40 Мет в импульсном режиме и нескольких киловатт в непрерывном режиме.

Известны пролетные клистроны дециметрового диапазона с выходной мощностью 10 Мет в импульсе с перестройкой

в диапазоне 140 Мгц. Долговечность клистронов порядка

3000 ч.

Стабильность частоты передатчиков с клистронными гене­раторами может быть высокой, так как определяется ста­бильностью частоты маломощных возбудителей.

Клистронные генераторы имеют и недостатки. Основные из них: узкополосность, трудности перестройки в диапазоне, очень высокие рабочие напряжения (до 400 кв), большие га­бариты и вес.

Схема клистронного генератора приведена на рис. 7.12. Резонаторы и коллектор клистрона соединены непосред­ственно с корпусом. Переменное напряжение накала подается через понижающий трансформатор Тр_х.

Импульс модулирующего напряжения отрицательной по­лярности со вторичной обмотки импульсного трансформатора ИТ подводится к катоду клистрона.

Питание фокусирующих катушек осуществляется от вы­прямителя с напряжением Е_в.

Амперметр А₂ служит для контроля среднего тока клист­рона, а амперметр А_х—тока фокусирующих катушек. Кон­денсаторы С\, С₂ и С₃ блокировочные.

Характеристики пролетного клистрона. Энергетическими характеристиками усилительных клистронов являются рабо­чая и усиления.

Рабочей характеристикой клистрона называют зависи­мость выходной мощности от анодного напряжения Е_а (рис. 7.13, а) при постоянной мощности возбуждения. Выход­ная мощность связана с ускоряющим напряжением кубиче­ской зависимостью. На том же рисунке представлена зави­симость к. п. д. г) клистрона от напряжения Е_а.

Выходная мощность, к. п. д. и ускоряющее напряжения связаны между собой соотношением

Ршы*=*г_шЯБ1\ (7.3)

(1-1,1) Ю-⁶ —з-

строна при насыщении

Л?

Е_а - Сопз1

ш/

Рис. 7.13. Характеристики пролетного клистрона:

а —рабочая характеристика; б — характеристика усиления; в —фазовая характери-

На рабочей характеристике выделена область практиче­ских режимов работы клистрона. Вне этой области пони­жается к. п. д., перегревается коллектор и повышается интен­сивность рентгеновского излучения.

Характеристика усиления — это зависимость выходной мощности Р_Вых клистрона от мощности возбуждения Р_вх (рис. 7.13,6) при постоянном анодном напряжении Е_а.

Так как коэффициент усиления по мощности, выражен-

Р

ный в децибелах, определяется соотношением

*вх

то иногда характеристику усиления представляют графиком *=/(/>„).

Фазовой характеристикой клистрона называют зависи­мость фазового сдвига колебаний на выходе относительно ко­лебаний на входе от анодного напряжения. Обычно она представляется зависимостью приращения фазового сдвига Д<р° от относительного изменения анодного напряжения (рис. 7.13,в), т. е.

где &Еа — приращение анодного напряжения.

Фазовые свойства пролетных клистронов оцениваются коэффициентом затягивания фазы кпод которым пони­мают отношение приращения фазового сдвига Д<р к вызвав­шему его приращению анодного напряжения, т. е. к^ = - .

Для типовых клистронов

Из фазовой характеристики видно, что стабильность на­бега фазы колебаний на выходе по отношению фазы на вхо­де в импульсных пролетных клистронах зависит от стабиль­ности амплитуды импульсов анодного напряжения.

Умножительные клистроны. Умножительными называются клистроны, частота колебаний на выходе которых кратна частоте колебаний возбуждения.

Умножительные клистроны по устройству и принципу дей­ствия аналогичны многоконтурным усилительным клистро­нам. Выходной резонатор клистрона настраивается на часто­ту в несколько раз выше, чем входной. Умножение частоты в известных клистронах бывает от 2 до 10. Коэффициент уси­ления их обычно близок к единице.

Умножительные клистроны могут использоваться в воз­будителях многокаскадных радиопередающих устройств.

ПРИБОРЫ С БЕГУЩИМИ ВОЛНАМИ

В последнее время все большее применение находят гене­раторные приборы СВЧ, в которых протяженный электрон­ный поток взаимодействует с волнами, распространяющи­мися вдоль нерезонансных замедляющих систем. Эти при­боры получили название ламп с бегущими волнами (ЛБВ).

Различают два класса ламп с бегущей волной: лампы типа О (обычные) и лампы типа М (магнетронные).

В обычных ЛБВ электронный поток фокусируется про­дольным магнитным полем, в магнетронных ЛБВ — попереч­ными (скрещенными) электрическим и магнитным полями. Каждый из этих классов ламп включает лампы с прямой бе­гущей волной (ЛПБВ) и лампы с обратной бегущей волной (ЛОБВ) в зависимости от того, совпадает ли направление перемещения электронного потока с направлением бегущей волны или является встречным.

7.6. ЛАМПЫ С ПРЯМОЙ БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ ТИПА О (ЛПБВО)

В литературе эти приборы часто называют просто ЛБВ. Лампы этого типа работают в усилительных режимах. Уст­ройство лампы показано на рис. 7.14.

Катод электронной пушки 1 испускает электроны, кото­рые под воздействием напряжений на ускоряющих электро­дах, спирали 2 и коллекторе 3 образуют электронный поток, движущийся внутри спирали со скоростью У_е <С с.

Рис. 7.14. Устройство лампы бегущей волны типа О: / — электронная пушка; 2 — замедляющая спираль: 3 — коллектор; 4 и 7 — аигеннки связи; 5 — поглотитель; 6 — фокусирующая катушка (соленоид); 8 — выходное устройство; 9 — плунжеры иастройки

Входные сигналы с помощью элемента связи 4 возбуж­дают в замедляющей спирали 2 электромагнитную волну, которая, распространяясь со скоростью V^V_е к выходному концу 7, взаимодействует с электронным потоком и усили­вается. Высокочастотные колебания выводятся из лампы через выходной волновод 8. Фокусировка протяженного элек­тронного потока осуществляется соленоидом 6. В середине спирали на участке нескольких витков размещают локальный поглотитель 5, предотвращающий самовозбуждение лампы.

К настоящему времени разработано много промышлен­ных типов этих ламп, которые применяются в усилительных каскадах приемных устройств. Широкое практическое приме­нение ЛБВ объясняется их широкополосностью, низким уровнем шумов, большим коэффициентом усиления, а также простотой эксплуатации.

Недостатками ЛБВ являются низкий к. п. д. (меньше 20%) и громоздкость конструкции.

В табл. 7.3 приведены основные параметры некоторых ЛБВ.

Таблица 7.3

Основные параметры некоторых ЛЁВ

Продолжение

Параметры

Мощность входного сигнала,

вт

Наибольшая выходная мощ­ность, вт

Напряжение накала, в . . . .

Ток накала, я

Напряжение управляющего

электрода (=), в

Напряжение первого анода

( = ).

Напряжение второго анода

(спирали), в

Напряжение коллектора ( = ),

в

Ток второго анода, мка . . .

Ток коллектора, ма

Магнитная индукция соленои­да, тл .

Долговечность, ч .

Рис. 7.15. Устройство лампы бегущей волны типа М:

/ и 2 — катод и ускоряющий электрод электронной пушки; 3 — замедляющая система; 4 — отрицательный электрод («под»); 5 — электронный поток; 6 — вход; 7 — выход; 8 — поглоти­тель; 9 — коллектор

7.7. Лампы с прямой бегущей волной типа м (лпбвм)

Эти приборы в литературе часто называют магнетронны- ми усилителями. Они работают в усилительных режимах. Схематически устройство дилиндрической конструкции лампы показано на рис. 7.15.

Электроны, испускаемые като­дом 1 электронной пушки с уско­ряющим электродом 2, под дей­ствием магнитного поля, создавае­мого внешним магнитом, и напря­жения между замедляющей систе­мой 3 и отрицательным электродом 4, образуют электронный поток 5.

Электроны в потоке движутся так, как в магнетроне в пределах «спицы».

УВ-б

равной скорости движения¹ электронов в луче V_е. (Эта ско­рость значительно меньше скорости света.) В результате взаимодействия поля бегущей волны и электронного потока электромагнитная волна по мере распространения от входа к выходу замедляющей системы усиливается. На выходе 7 получаются весьма мощные колебания. Усилители этого типа позволяют получать в импульсном режиме выходную мощ­ность в несколько мегаватт с к. п. д. более 60%. Усиление их 15 дб в полосе до 25%.

Лампы работают сравнительно на низких ускоряющих напряжениях и позволяют создавать многокаскадные радио­передающие устройства с высокой стабильностью частоты.

7.8. Лампы с обратной бегущей волной типа о (лобво)

Эти лампы могут использоваться в усилительных и гене­раторных режимах.

В лампах обратной волны¹ (рис. 7.16) используются пе­риодические замедляющие системы 3, подобные системам в ЛБВ. Поле электромагнитной волны вдоль замедляющей

Рис. 7.16. Устройство лампы обратной волны типа О:

/ — электронная пушка; 2 — электронный поток; 3 — за­медляющая система; 4 — коллектор; .5 — поглотитель: 6 — выход; 7 — фокусирующая катушка

системы отличается от гармонического. Его можно рассмат­ривать как сумму пространственных гармонических состав­ляющих, имеющих различные амплитуды и разные по вели­чине и знаку фазы.

В ЛОВ электронный поток 2 взаимодействует с первой или второй обратной пространственной гармоникой. При пра­вильном выборе режима лампы, несмотря на то, что электро-

Магнитная волна в целом в замедляющей системе направ­лена навстречу электронному потоку, электроны переме­щаются синхронно с изменением фазы одной из обратных гармоник.

Модуляция электронного потока в ЛОВ происходит под воздействием как прямых, так и обратных гармоник. Глуби­на модуляции электронного потока возрастает в направле­нии от коллектора 4 к электронной пушке 1. Более плотные сгустки электронов отдают больше энергии электромагнит­ной волне замедляющей системы, а поэтому на выходе 6 лампы получается усиленный высокочастотный сигнал.

В генераторных и усилительных ЛОВ физические про­цессы взаимодействия электромагнитной волны с электрон­ным потоком одинаковые, так как после возбуждения лампы пространственная волна замедляющей системы будет подоб­на волне в усилительной лампе.

Возбуждение ЛОВ, а следовательно, и генерация высоко­частотных колебаний возможны, так как движение усиливае­мой электромагнитной волны навстречу электронному потоку обеспечивает обратную связь потока с полем замедляющей системы. Обратная связь в ЛОВ имеет распределенный ха­рактер и осуществляется вдоль всей лампы.

ЛОБВО обладают весьма высокими диапазонными свой­ствами. Они позволяют осуществить электронную перестрой­ку с перекрытием диапазона 3:1. Эти приборы имеют при­емлемые конструкции даже в миллиметровом диапазоне. Наиболее часто генераторы этого типа используются в не­прерывном режиме. К. п. д. этих генераторов низок, поряд­ка 1%.

7.9. Лампы с обратной бегущей волной типа м (лобвм)

ЛОБВМ (карцинотроны типа М) принципиально могут использоваться как в генераторных, так и в усилительных режимах. Большее развитие получили генераторные карци­нотроны, схематическое устройство которых показано на рис. 7.17.

Конструктивные элементы карцинотронов этого типа те же, что и в рассмотренных выше ЛОБВО, однако замедляю­щие системы их имеют цилиндрическую форму. Магнитное поле для управления электронным потоком создается вдоль оси лампы подобно полю в магнетроне. Электронный поток движется между замедляющей системой и специальным от­рицательным электродом («подом») навстречу электромаг­нитной волне, распространяющейся по замедляющей системе в направлении к выходу лампы. В остальном физические процессы в ЛОБВМ не отличаются от процессов в карцино- тронах типа О.

ЛОБВМ являются довольно эффективными генераторны­ми приборами дециметрового, сантиметрового и миллиметро­вого диапазонов, волн. К. п. д. лампы достигает 50%. Они имеют высокие диапазонные свойства, легко перестраиваются в широком диапазоне частот. В 10-сантиметровом диапазоне

Рис. 7.17. Устройство лампы обратной волны типа М:

/, V — катод и ускоряющий электрод электронной пушки; 2 — электронный поток; 3 — замедляющая си­стема; 4 — коллектор; 5 — поглотитель; 6 — отрица­тельный электрод; 7 — выходное устройство

от них полу.чены мощности в несколько сотен киловатт в им­пульсном режиме и порядка нескольких киловатт в непре­рывном режиме.

Приборы отличаются весьма высоким уровнем шумов (до 25 дб), поэтому находят применение в качестве генераторов помех.

МО. КАРМАТРОНЫ

На основе ламп с обратной волной типа М и магнетронов разработаны комбинированные генераторные приборы СВЧ, получившие название карматронов ¹.

В карматронах вместо электронной пушки используются цилиндрические катоды, располагаемые, как и в многорезо- наторных магнетронах, коаксиально замедляющей системе.

Преимущество карматронов перед ЛОВ типа М заключается в упрощении конструкции, поскольку отсутствует электрон­ная пушка. Более мощный катод позволяет увеличить мощ­ность приборов.

Диапазонные свойства карматронов несколько хуже, чем ЛОВ типа М.

Карматроны унаследовали недостаток карцинотронов — большую зависимость частоты от питающего напряжения. По этой причине для карматронов, работающих в непрерыв­ном режиме, необходимы источники питания с весьма высо­кой стабильностью напряжения, а при импульсной работе, кроме того, необходимы импульсные модуляторы, формирую­щие импульсы напряжения с идеально постоянной основной частью.

7.11. ПЛАТИНОТРОНЫ

Платинотроны разработаны на основе магнетронов и кон­структивно подобны им (рис. 7.18). Замедляющая система/ платинотрона подобна анодному блоку магнетрона. Цилин­дрический активиро­ванный катод 2 поме­щается коаксиально замедляющей системе.

Управление элек­тронным потоком про­изводится постоянны­ми электрическим и магнитным полями, со­здаваемыми точно так же, как в магнетроне. Электронный поток в платинотронах обычно взаимодействует с об­ратной волной, но мо­жет использоваться и прямая врлна.

Платинотроны, используемые в качестве усилителей, на­зывают амплитронами. Амплитроны отличаются от магнетро­нов тем, что их замедляющая система не замкнута. Послед­нее достигается разрывом связок 3. Разрывы связок соеди­няются со входом и выходом прибора, которые тщательно согласуются с внешними устройствами (передающими ли­ниями).

Зависимость выходной мощности от входной при различ­ных значениях подводимой мощности Ро для одного из ам- плитронов показана на рис. 7.19. При самом малом значении подводимой мощности (Р₀ = 500 квт) имеется область а—б, где выходная мощность мало зависит от входной высокоча­стотной мощности.

Если входная мощность слишком мала, то частота выход­ного колебания не зависит от частоты входных колебаний, т. е. управление колебаниями теряется.

Рак!» наш

№00

Чем больше мощность, подводимая от модулятора, тем более мощные входные колебания необходимы для управле­ния усилением.

В области, где входной сигнал контролирует выходной, при малых значениях входной мощности усиление больше 10 дб. С увеличением мощности входных колебаний усиление уменьшается, однако зависимость выходной мощности от входной более выражена.

Амплитрон имеет рабочие характеристики (рис. 7.20), аналогичные характеристикам магнетрона.

К. п. д. амплитрона определяется как отношение разности выходной Р_Вых и входной Рвх высокочастотной мощности к мощности, подводимой от модулятора, т. е,

4 = ^Рвы*-^Р*-< , (7.5)

где Р₀=Е_а1а — подводимая мощность.

Важно отметить, что входная мощность в амплитроне не теряется, а проходит на выход и используется полезно.

К. п. д. амплитрона возрастает с ростом анодного тока и магнитного поля. Практические его значения достигают 65% и более. Причем он остается постоянным в полосе частот бо­лее 10%.

В табл. 7.4 приве­дены параметры неко­торых амплитронов, работающих в им­пульсном режиме.

Амплитрон хорошо воспроизводит входной сигнал. В пределах возможных рабочих режимов спектр сигна­ла не меняется. Сдвиг фазы вь&окочастотных колебаний при прохо­ждении через ампли­трон слабо зависит от анодного тока.

Таблица 7.4

Основные параметры амплитронов

Между выходом и входом платинотрона можно ввести элементы обратной связи. Обратная связь в платинотроне обеспечит его самовозбуждение. Для стабилизации частоты автоколебаний в цепь обратной связи вводят высокодоброт­ный резонатор.

Платинотроны вместе с внешними элементами обратной связи и стабилизации частоты называют стабилотро- нами.

Стабилотроны — новые приборы и, как сообщается в пе­чати, конструктивная разработка их продолжается. В извест­ных стабилотронах обратная связь создается за счет спе­циального отражателя на выходе прибора и стабилизации частоты с помощью внешнего резонатора на входе.

В таком случае обратная связь и стабилизация частоты осуществляется следующим образом. *Часть высокочастотной энергии отражается от рассогласованного выхода стабило­трона и возвращается обратно через прибор в резонатор. Эта энергия поддерживает колебания во входном резона­торе.

Поскольку входной резонатор имеет высокую добротность, то он поддерживает колебания только строго определенной частоты. Внешний резонатор можно сделать с большой доб­ротностью и его стабилизирующие . свойства будут весьма высокими.

Рабочие и нагрузочные характеристики стабилотрона по­добны характеристикам магнетрона. Электронное смещение в нем в 50—100 раз, а затягивание частоты на порядок мень­ше, чем в магнетроне.

<ЗК 434

Таблица 7.5

Основные параметры стабилотронов

Тип стабилотрона

Параметры

<ЗК 520

Диапазон, Мгц (перестройка меха

ническая)

Выходная мощность, кет

Магнитная индукция, тл . . . . . Анодное напряжение, кв . , . . Анодный ток, а

К. п. д., % .

Электронное смещение частоты

кгц/а

1225—1350 600 0,115

7.12. ГЕНЕРАТОРЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

В генераторах высокочастотных колебаний практическое применение находят плоскостные полупроводниковые триоды и тетроды.

Генераторы с посторонним возбуждением осуществляют­ся по схемам с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Наибольшее практическое применение находят первые две схемы.

На рис. 7.21 изображена схема генератора с общим эмит­тером на триоде с переходом р-п-р-типа. Под действием на­пряжения возбуждения (/б, действующем на первом переходе (р-п), меняется величина потенциального барьера в переходе. Основной процесс в первом переходе (эмиттер — база) — это отталкивание дырок эмит­тером и свободных электронов базой. Прямой ток через этот переход будет в основном ды­рочный, так как дьуэки инжек­тируются эмиттером в базу.

Число инжектированных эмиттером дырок определяет­ся потенциалом базы относи­тельно эмиттера, т. е. ток эмит­тера зависит от напряжения между базой и эмиттером. Если это напряжение гармо­ническое, то таким будет и ток в переходе эмиттер — база.

Дырки, диффундирующие через базу, достигают второго перехода (п-р), уменьшают сопротивление перехода база — коллектор и ток коллектора увеличивается. В обмене энер­гией с колебательным контуром С_к участвует большее число электронов, которые пополняют энергию контура. Мощность колебаний в цепи коллектора (в контуре С_к) в десятки и сотни раз больше мощности, затрачиваемой ис­точником возбуждения. Таким образом, происходит усиление высокочастотных колебаний.

Рис. 7.21. Принципиальная схема генератора с посторонним возбу­ждением на полупроводниковом триоде

Естественно, возможно построить и автогенераторы на полупроводниковых приборах. Схема автогенератора с авто­трансформаторной связью с общим эмиттером, с параллель­ным питанием базы и последовательным питанием коллекто­ра приведена на рис. 7.22. Для выбора исходной рабочей точки на участке характеристики с большой крутизной на базу подается дополнительное отрицательное напряжение. Оно берется от источника питания коллектора через потен­циометр /?₂, /?з- Для имеющихся полупроводниковых триодов

требуется малое начальное смещение, порядка долей вольта, а поэтому сопротивление /?₂ мало. Основным сопротивлением автосмещения на базу является сопротивление Конденса­тор С\—элемент базового смещения. Остальные элементы автогенератора имеют назначение, известное из теории лам­повых автогенераторов.

Рис. 7.22. Принципиаль­ная схема автогенера­тора на полупроводнико­вом триоде

Полупроводниковые генераторы находят все более широ­кое применение. Малые размеры и вес полупроводников в со­четании с миниатюрными радиоде­талями позволяют создавать ком­пактные конструкции. Прочность и надежность их высокие. Специаль­ные конструкции выдерживают ускорения, получающиеся при за­пусках ракет и космических объ­ектов.

КВАНТОВЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРИБОРЫ

В зависимости от используемого диапазона волн различают кванто­вые приборы СВЧ и оптические квантовые приборы.

К квантовым приборам СВЧ от­носят:

• молекулярные (атомные) генераторы;

■— молекулярные усилители; .

• парамагнитные усилители.

В зарубежной литературе все эти приборы имеют общее название «мазер» ¹. В отечественных изданиях они обычно называются квантовыми молекулярными генераторами и квантовыми молекулярными усилителями.

К оптическим квантовым приборам относят генераторы и усилители, работающие в инфракрасном (0,4 лшч-0,76 ж/с), видимом (0,76 л/сч-0,4 мк) и ультрафиолетовом (0,4 мк +

+ 20 А) диапазонах. В иностранной литературе, а часто и в отечественной эти приборы называют «лазерами»², или оп­тическими мазерами.

В советских изданиях все чаще эти приборы называют оптическими квантовыми генераторами.

За исследования в области квантовой радиофизики и соз­дание первых квантовых молекулярных генераторов члены- корреспонденты Академии наук СССР Н. Г. Басов и А.'М. Прохоров в 1960 г. удостоены Ленинской премии. За те же научные исследования этим советским ученым (и амери­канскому физику Чарлзу X. Таунсу) присуждена Нобелев­ская премия 1964 г.

Оптические квантовые генераторы (ОКГ) в настоящее время быстро развиваются. По принципу действия и физиче­ским свойствам используемых активных веществ они делятся на многие группы и типы, основными из которых являются: ОКГ на твердом теле, газовые, жидкостные и полупроводни­ковые ОКГ.

7.13. КВАНТОВЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

Принцип действия квантовых приборов основан на взаи­модействии электромагнитного поля с атомами или молеку­лами некоторых' веществ, обладающих тем свойством, что при определенных условиях внутренняя энергля их атомов (молекул) преобразуется в электромагнитную энергию. Такое преобразование энергии происходит при переходах атомов (молекул) с одного энергетического уровня на другой, со­провождаемых выделением квантов (порций) электромагнит­ной энергии определенной частоты.

В некоторых веществах, которые называют активными, при определенных условиях атомы (молекулы), поглощая кванты энергии, переходят на более высокий энергетический уровень, т. е. в возбужденное состояние. Возбужденные ато­мы могут самопроизвольно излучать (спонтанное излучение) приобретенную энергию и возвращаться в исходное или неко­торое промежуточное энергетическое состояние.

Возбужденные атомы (молекулы) можно «вынудить» из­лучать электромагнитную энергию под воздействием внеш­него электромагнитного поля. Излучение, вызванное внеш­ним электромагнитным полем, называется индуцированным.

Атомы (молекулы) переводятся в возбужденное состоя­ние путем введения в систему с активным веществом элек­тромагнитной энергии. Этот процесс называется подкачкой. Соответственно частота электромагнитного поля возбужде­ния называется частотой подкачки.

305

11—93

деленной частоты происходит интенсивное излучение, обусло­вленное переходом атомов с высшего на низший энергетиче­ский уровень.

Энергетический уровень активного вещества количествен­но определяют населенностью уровня, т. е. числом атомов (молекул) и энергией каждого атома (молекулы). При тер­модинамическом равновесии вещества обычное распределе- УУ

Л

Щ

Рис. 7.23. Энергетические уровни активного вещества: а — при термодинамическом равновесии; 6 — прн возбуждении ве­щества

ние атомов (молекул) в нем по уровням при некоторой фик­сированной температуре показано на рис. 7.23, а. Оно удов­летворяет формуле Больцмана:

Ш

(7.6)

где — число молекул (атомов) на верхнем уровне с энер­гией

число молекул (атомов) на нижнем уровне с энер­гией

А = 1-38-10"²³ дж/\° К — постоянная Больцмана; Т — температура активного вещества в градусах Кель­вина.

Для осуществления генерации или усиления колебаний нарушают тепловое равновесие вещества так, чтобы населен­ность верхнего энергетического уровня была больше, чем нижнего (рис. 7.23,6).

Атомы активных веществ имеют не два, а много энерге­тических уровней. Причем с одного энергетического уровня атом может переводиться на различные энергетические уров­

ни и каждому переходу соответствует своя длина волны излучаемых колебаний. Следовательно, наблюдается спек­тральное излучение энергии атомами и молекулами веществ. Длина волны для определенного перехода равна

где ш, п — любые возможные (разрешенные) переходы; — энергия соответствующих уровней; с — скорость распространения электромагнитной энер­гии;

Рис. 7.24. Устройство квантового генератора на атомном водо­роде:

/ — источник атомов водорода; 2 — устройство сортировки атомов по со­стоянию, 3 — резонатор; 4 — диафрагма; 5 — накопительная колба; 6 — вы­ходное устройство

квантовый генератор с, использованием атомов водорода. Устройство такого генератора схематически изображено на рис. 7.24. Основные элементы генератора: источник атомар­ного водорода /, устройство сортировки атомов 2 и резона­тор 3.

Атомы водорода, полученные путем высокочастотного разряда, пройдя через диафрагму 4, узким пучком попадают в устройство сортировки атомов по энергети­ческому уровню.

Используются два исходных энергетических уровня, условно обозначенные 1 и 0 (рис. 7.25). В поле постоянного магнита верхний уровень расщепляется на три. Атомы двух верхних уровней (/—/; 1—2) фокусируют так, что они попадают в отвер­стие накопительной колбы 5 (рис. 7.24), расположенной в

центре высокочастотного резонатора, настроенного на ча­стоту перехода с уровня 1—2 на нулевой уровень, равную 1420, 405 Мгц.

Электромагнитные колебания, возбужденные в резонаторе вследствие индуцированного излучения атомов водорода, вы­водятся через выходное устройство 6 к нагрузке.

Устройство сортировки представляет собой шестиполюс- ный постоянный магнит, создающий неоднородное магнитное поле.

Накопительная колба диаметром около 10 см изготовле­на из кварца. Внутри она покрыта тефлоном (фторуглероди- стым соединением), химически инертным по отношению к атомам водорода, что уменьшает утечку атомов через стенки.

Высокочастотный резонатор имеет обычную конструкцию. Внутренняя его поверхность посеребрена.

Петля связи с нагрузкой регулируется. Ее можно устано­вить так, что генерация будет непрерывной или импульсной. Можно усилить связь настолько, что генерация станет невоз­можной и тогда квантовый прибор будет работать в усили­тельном режиме. Переход от режима автогенерации к ре­жиму усиления можно осуществить также, изменив интен­сивность пучка атомов водорода. Стабильность частоты водо­родного квантового генератора порядка 10~¹³. -Такая стабиль­ность частоты обеспечивается, если температура генератора поддерживается с точностью 0,01° С.

Большое преимущество генератора с водородом в том, что он может работать при комнатной температуре и не тре­бует сложных охлаждающих устройств.

7.14. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)

Оптические квантовые генераторы (ОКГ) имеют три ос­новных элемента: активное вещество, обладающее свойством индуцированного излучения, источник подкачки, возбуждаю­щий активное вещество, и резонансную систему.

Активными веществами могут быть твердые тела, газовые смеси и жидкости. Из твердых тел применяют рубин с при­месью хрома и флюорит с примесью урана или самария.

Схема ОКГ на рубине приведена на рис. 7.26. Активным веществом служит монокристалл розового рубина, представ­ляющий собой окись алюминия А1г0₃ с примесью примерно 0,05% хрома. Рубиновые кристаллы изготовляются в виде стержня 1. Обычно стержни бывают длиной 4—5 см и диа­метром 0,5—1,0 см. Торцы стержня зеркально полируются и покрываются серебром. Один торец непрозрачный, другой с прозрачностью порядка 10%.

Энергию подкачки дает ксеноновая импульсная лампа 2, обеспечивающая интенсивный свет. Рубин помещается па­раллельно лампе в одном отражателе 3 с ней или внутри спирали импульсной лампы.

Рис. 7.26. Устройство оптического квантового гене­ратора на рубине: / — рубиновый сгсржень; 2 — импульсная ксеноновая лампа; 3 — отражатель; 4 — держатель рубниа; 5 — импульсный трансформатор

Рис. 7.27. Энергетические уровни рубина:

1—3 — переход нонов хрома прн возбуждении; 3—1 — спонтанный переход возбужденных ионов; 3—2 — переход на промежуточный основной уро­вень; 2—1 — разрешенный переход с излучением двумя спектрами Кх и /?,

Резонансной системой генератора служит сам рубиновый стержень.

Принцип действия ОКГ заключается в следующем. При каждой вспышке импульсной лампы ионы хрома, поглощая

о

световые кванты с длиной волны 5600 А, возбуждаются и пе­реходят из основного уровня 1 на энергетические уровни, лежащие в области 3 (рис. 7.27).

Сразу же после этого некоторые из ионов хрома возвра­тятся на уровень но большинство из них переходят на

уровень 2. Эти ионы в течение короткого времени находятся в возбужденном состоянии, а затем переходят в основное со­стояние на уровень /. Переходя с уровня 2 на уровень /, ионы

излучают свет с длиной волны порядка 6943 А.

Естественно, каждый ион при переходе с уровня 2 на уро­вень 1 испускает фотон, а каждый излученный фотон вызы­вает переход других ионов хрома с уровня 2 на основной уро­вень 1. Иначе говоря, фотоны индуцируют (вызывают) излу­чение других фотонов и в короткое время их образуется ог­ромный поток, который распространяется вдоль рубинового стержня. Непрозрачное зеркало на одном торце стержня от­ражает световую волну обратно в рубиновый стержень. При

Рис. 7.28. Импульс на выходе оптического кван­тового генератора

малой интенсивности света внутри рубина происходит отра­жение света частично и прозрачным торцом. Когда свет достигает определенной интенсивности, мощный поток его выходит через полупрозрачный торец.

Через боковые стенки фотоны выходят из рубина без отражения, а поэтому усиливаются практически лишь те ко­лебания, которые распространяются параллельно оси руби­нового стержня. Световой поток ОКГ имеет высокую направ­ленность и в силу когерентности (каждый последующий фотон находится в фазе с предшествующим) процессов в ру­бине его интенсивность может быть огромной.

ОКГ на рубине работают в импульсном режиме. Длитель­ность импульса (рис. 7.28) определяется мощностью источ­ника подкачки и процессами в самом рубине. Частота повто­рения импульсов ограничивается несколькими импульсами в минуту, так как она определяет температурный режим кристалла рубина. Принципиально возможно создать кри­сталлические ОКГ непрерывного действия.

ими

1

И I И Г И ИМИ I 1

6950

Длина волны, А а

Рис. 7.29. Спектры излучения оптического квантового генератора на рубине:

.3 • 4

Недостатками ОКГ на твердом теле, а также газовых и жидкостных является их низкий к. п. д. (1—2%).

7.15. Полупроводниковые оптические квантовые генераторы

В полупроводниковых ОКГ в качестве активного веще­ства применяются кристаллы арсенида галлия (мышьякови­стый галлий), арсенида-фосфида галлия и другие вещества. Излучение в полупроводниковых кристаллах обусловлено энергетическими переходами свободных электронов.

В ОКГ этого типа используется электрическая накачка. Возбуждение носителей (электронов) происходит за счет тока через диод в прямом направлении. При малом токе воз­буждения излучение полупроводникового диода некогерентно и его интенсивность невелика. При некоторых больших зна­чениях тока через полупроводник наблю­дается когерентное индуцированное из­лучение, полоса излучения при этом резко сужается и интенсивность его воз­растает.

Устройство одного из диодов с неко­герентным инфракрасным излучением показано на рис. 7.30. Диффузионный Диод из мышьяковистого галлия О_аА_в с р-л-переходом конструктивно выполнен в стандартном- .корпусе со стеклянной линзой в его верхней части.

Ток возбуждения диода 100 ма при температуре 25° С обеспечивается пря­мым напряжением смещения 1,2 в.

Основное излучение происходит на волне 0,9 мк при тем­пературе 25° С. Излучение диода может быть модулировано путем изменения тока возбуждения на любых частотах от звуковых до 900 Мгц. К. п. д. диода при комнатной темпера­туре порядка 5%, а при температуре жидкого азота '(77^) в 10 раз выше, т. е более 50%.

Устройство одного из диодов с когерентным излучением

на волне 8400 А показано на рис. 7.31. Две пластины из мышьяковистого галлия р- и л-типа с примесью цинка и тел­лура соответственно разделены переходом толщиной 2,5 мк. Диод имеет форму усеченной пирамиды. Переходная и зад-

3

Рис. 7.31. Оптический квантовый генератор на

полупроводнике: / — арсенид галлия р-типа; 2 — арсеннд галлия л-тнпа; 3 и 5 — электроды; 4 — плоскость перехода

няя стороны пирамиды строго параллельны и зеркально отпо­лированы. Полупроводник между этими сторонами образует резонатор, растроенный на волну излучения.

Накачка осуществляется импульсным током прямого на­правления. Длительность импульсов 5—20 мксек.

Полупроводниковые ОКГ разрабатываются с импульсным и непрерывным режимами. Они могут найти как самостоя­тельное применение, так и в качестве генераторов накачки ОКГ на твердых телах.

ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

Импульсными модуляторами называются радиотехниче­ские устройства, предназначенные для управления колеба­ниями генераторов СВЧ.

Они классифицируются по виду основных элементов — коммутирующего прибора и накопителя, по режиму работы последнего.

Основные классы импульсных модуляторов: электронно- ламповые, линейные и магнитные.

7.16. ЭЛЕКТРОННО-ЛАМПОВЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

Импульсные модуляторы, в которых коммутирующими приборами являются электронные лампы, называют элек­тронно-ламповыми. Накопители в них могут быть емкостны­ми и индуктивными. Наиболее широкое применение находят модуляторы с накопительными конденсаторами, работающи­ми в режиме частичного разряда. Такие модуляторы назы­ваются импульсными модуляторами с частичным разрядом емкости. Принципиальная схема модулятора приведена на рис. 7.32.

Рис. 7.32. Принципиальная схема импульсного модулятора с частичным разрядом конденсатора

В паузах между запускающими импульсами коммутирую­щая лампа Л заперта отрицательным напряжением — Е_с. В это время накопительный конденсатор С_н заряжается от высоковольтного выпрямителя с напряжением Е_в. Зарядный ток проходит по цепи: +Е_В, сопротивление накопительный конденсатор С_н, зарядное сопротивление /?₂> корпус. Конден­сатор С_н заряжается от напряжения 11_{с мин} ДО напряжения У с макс по экспоненциальному закону (рис 7.33).

н

(7.8) 313

выбирается так, что к моменту прихода запускающего им­пульса напряжение на конденсаторе достигает требуемой ве­личины.

Коммутирующая лампа отпирается положительным за­пускающим импульсом, поступающим от подмодулятора. При отпертой лампе напряжение, имеющееся на конденсато­ре С_н, прикладывается через лампу к магнетрону. Под дей­ствием этого напряжения (и постоянного магнитного поля) магнетрон начинает генерировать. Естественно, что для пи­тания магнетрона затрачивается энергия накопительного кон­денсатора и он частично разряжается. Разряд конденсатора происходит по цепи: + С„, лампа Л_$ магнетрон М, —С_н. Не­большая часть тока ответвляется через сопротивление

Разряд конденсатора С_н продолжается пока отперта лам­па и прекращается тогда, когда закончится управляющий импульс.

Постоянная времени разрядной цепи

Т_Р = К.С_Н} (7.9)

/?_г — сопротивление генератора СВЧ постоянному (в им­пульсе) току.

Она делается достаточно большой путем выбора большой ем­кости С_н с тем, чтобы конденсатор за время формирования импульса разряжался незначительно. Конденсатор разря­жается (рис. 7.33) до {/_{с мин}. В следующую паузу между им­пульсами он снова заряжается до ^/_СМакс-

Напряжение на конденсаторе изменяется на величину

= V_с макс — Vс мин, (7.10)

которая, как правило, не превышает 5% от минимального на­пряжения на конденсаторе. Отсюда и название модулято­ра— с частичным разрядом емкости.

На форму фронта и среза импульса, формируемого моду­лятором, оказывают влияние паразитные емкости схемы и ее элементов. Суммарная паразитная емкость значительная (50—150 пф). Она разряжается "в основном через сопротив­ление /?₂, которое нельзя выбрать малым. Поэтому срез импульса по длительности может быть большим. Соответ­ственно удлинится и высокочастотный импульс генератора СВЧ. Это нежелательно, так как затянувшуюся генерацию использовать нельзя, а тепловая нагрузка на генераторный прибор увеличивается, что понижает его долговечность.

Для улучшения среза формируемого импульса вместо сопротивления /?2 часто включают высокочастотный дрос­сель Ь (рис. 7.34). В таком случае после основного импуль­

са в разрядной цепи модулятора возникают колебания боль­шой интенсивности, которые могут повторно запустить маг­нетрон. Для устранения этих колебаний параллельно с дрос­селем включают диод. Он не проводит ток вовремя формиро­вания основного импульса и не влияет на процесс формиро­вания. После формирования импульса, как только колебания сменят полярность на обратную (рис. 7.35), диод начинает пропускать ток, шунтирует разрядную цепь модулятора и тем самым гасит паразитные колебания в ней.

Сопротивление в обеих схемах ограничивает прямой ток от высоковольтного выпрямителя через открытую комму­тирующую лампу.

Рис. 7.35. Выходной им­пульс модулятора с после- импульсной коррекцией'

Модулятор с зарядной индуктивностью и диодом форми­рует импульс с большим спадом напряжения на вершине, так как в течение импульса ток через индуктивность линейно возрастает, что приводит к дополнительному разряду нако­пительного конденсатора. Для уменьшения спада вершины импульса тщательно подбирают величину индуктивности дросселя, а в некоторых случаях и увеличивают емкость накопительного конденсатора.

Генератор СВЧ и модулятор с частичным разрядом кон­денсатора могут соединяться импульсным трансформатором, который выполняет обычные для него функции и вместе с тем заменяет зарядную индуктивность. Гасящий диод мо­жет подключаться параллельно как к первичной, так и вто­ричной обмоткам трансформатора.

Коммутирующие электронные лампы имеют сравнительно малую мощность (табл. 7.6). Поэтому часто в модуляторах с частичным разрядом конденсатора они включаются парал­лельно. Один из вариантов параллельного включения ламп приведен на рис. 7.36. Ограничительные сопротивления здесь /?1 и /?2. В схеме применяются два накопительных конденса­тора С\ и С₂. Они заряжаются от одного выпрямителя через свои ограничительные сопротивления и общую первичную

обмотку импульсного трансформатора. Коммутирующие лам­пы соединены параллельно по сеточным цепям, но каждая разряжает свой конденсатор по цепи: положительная обклад­ка накопительного конденсатора, лампа, корпус, первичная обмотка импульсного транс­форматора, отрицательная обкладка конденсатора.

Сопротивления /?₃, #4, /?₅ и /?б в анодных и сеточ­ных цепях включаются для подавления паразитных вы­сокочастотных колебаний. Они обычно имеют вели­чину 10—20 ом.

7.17. ЛИНЕЙНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

ИТ

электронно-лампового модулятора с параллельным включением ламп

Принципиальная схема линейного модулятора изображе­на на рис. 7.37. Он состоит из искусственной линии (ИЛ), водородного тиратрона Л, зарядного дросселя ЗД и импульс­ного трансформатора ИТ. Нагружен модулятор на генера­тор СВЧ. Питается он от высоковольтного выпрямителя.

Рис. 7.37. Принципиальная схема линейного импульс­ного модулятора

Зарядную цепь модулятора составляют выпрямитель, за­рядный дроссель, линия, импульсный трансформатор. Экви­валентная схема зарядной цепи приведена на рис. 7.38. Заряд накопителя от выпрямителя с напряжением Е_в начинается в момент переключения накопителя с разряда на заряд, что соответствует замыканию ключа на эквивалентной схеме.

Искусственная линия в зарядной стадии ведет себя как кон­денсатор с емкостью, равной общей емкости линии С_л.

Вместе с дросселем, индуктивность которого /,_др, линия составляет последовательный контур. Сопротивлением /?₃ учитывает потери в дросселе и других элементах зарядной цепи.

-0 -I-

Рис. 7.38. Эквивалентная схема зарядной цепи

Индуктивности ячеек искусственных линий практического влияния на зарядный процесс не оказывают, так как они малы по сравнению с индуктивностью зарядного дросселя. По этой же причине на зарядный процесс не оказывает влия­ния и импульсный трансформатор.

Период модуляции обычно не превышает периода собст­венных колебаний зарядной цепи, и зарядный процесс имеет переходной характер.

Если первоначального запаса энергии ни в дросселе, ни в емкостях линии нет, то напряжение и ток в зарядной цепи описываются уравнениями:

и_с = Е_ъ( 1-бГ^в'со5и>₀0; (7.11)

1 = 1_те-« зт«Л (7.12)

<о₀

где ^а = 20;

а>₀ = 'у^г[~~с У^гловая резонансная частота зарядной цепи;

^ДР ^ — добротность зарядной цепи; / Е_{в в}

Рз ¹

рз — характеристическое сопротивление зарядной цепи.

Зарядный процесс часто ограничивают первой половиной периода Г₀ собственных колебаний, т. е. обеспечивается соот­ношение

Т = (7.13)

где Т — период модуляции, равный периоду следования им­пульсов;

Г₀ = 2кУ1^С;. (7.14)

В таком случае зарядное напряжение на линии (У_л и за­рядный ток I изменяются так, как показано на рис. 7.39, а.

Режим заряда при Г= называют резонансным. Раз­личают также линейный и колебательный режим заряда.

зарядной цепи:

а — резонансный заряд; б —линейный заряд; в — колебательный заряд

Линейный режим заряда происходит при Т< -у-. Графики

зарядного напряжения и тока при этом режиме показаны на рис. 7.39,6.

Т

Колебательный режим заряда имеет место при Т> -у- (рис. 7.38, в).

0н(<)

(7.15)

Обычно <Э~10 и 1/_лз®1,8Я_в.

Средний зарядный ток при резонансном режиме

Разрядную цепь модулято­ра составляют искусственная линия, водородный тиратрон и импульсный трансформатор, нагруженный на генератор СВЧ. Эквивалентная схема _{Рис> 1Ж} эквивалентная схема разрядной цепи приведена на разрядной цепи

рис. 7.40. Искусственная линия заменяется идеальной линией с волновым сопротивлением

= (7.17)

где Ьи С\ — индуктивность и емкость ячейки линии. Линия

заряжена до 1/_лз и является источником энергии в разряд­ной цепи.

Л!

V,

*н*Рл

I I

'лз

ь

•4-М*

^ин 2

Рис. 7.41. Импульсы формируемого напряжения при раз­личных согласованиях нагрузки линейного импульсного модулятора:

(7.18)

Сопротивление нагрузки

п Яг

2 > "н

где #_г—сопротивление генератора СВЧ постоянному току; п_ц — коэффициент трансформации ИТ.

Сопротивление нагрузки считается согласованным с ис­кусственной линией, если /?_н = рл- При согласованной нагруз­ке разрядная цепь формирует одиночный импульс напряже­ния (рис. 7.41,а) с амплитудой 11_н= ^р и длительностью, определяемой соотношением (6.10). 320

Несогласованная нагрузка может быть больше или мень ше р_л. Импульсы напряжения для этих случаев показаны на рис. 7.41. Связь процессов в зарядной и разрядной стадиях в линейном модуляторе можно пояснить с помощью эпюр напряжений и токов, приведенных на рис. 7.42. Искусствен­ная линия в течение длительного периода Т_П^Т небольшим

а — напряжение в стадии заряда и разряда ИЛ; б — зарядный ток; в — напряжение на первичной обмотке ИТ и ток в ней

ленный момент на сетку водородного тиратрона подается запускающий импульс. Тиратрон срабатывает, и в течение короткого времени т искусственная линия разряжается через первичную обмотку импульсного трансформатора. Напряже­ние на линии сразу же при срабатывании тиратрона умень­шается до половинного значения, но дальше в течение всего импульса оно сохраняется практически постоянным. Это на­пряжение действует на первичной обмотке импульсного трансформатора. Оно трансформируется с повышением в анодную цепь генератора СВЧ.

Линейные импульсные модуляторы в различных схемных и конструктивных вариантах находят весьма широкое приме­нение.

Искусственные линии. Искусственные линии (ИЛ) в им­пульсных модуляторах являются накопителями энергии и формирующими элементами. Широкое практическое приме­нение находят обычные цепочечные линии (рис. 6.9).

В реальных условиях ИЛ как формирующий двухполюс­ник (ФД) разряжается на нагрузку, представляющую собой активное сопротивление (7.18), шунтированное индуктивно­стью импульсного трансформатора. Формируемый импульс напряжения поэтому имеет падающую вершину, так как в те­чение импульса ток через индуктивность линейно возрастает.

Рис. 7.43. Искусственная линия с нагрузкой

Для коррекции формы импульса применяют ИЛ цепочеч­ного типа с неодинаковыми параметрами ячеек. Такие линии называются неоднородными. Параметры неоднородных линий (рис. 7.43) экспоненциального типа рассчитывают по фор­мулам:

^(7Л9>

21_н

= (7.20)

н

С* = С, = сопз1; (7.21)

Ь_к^1_1е-^2а{к'¹\ (7.22)

2Ц

где а =

Ь_н— индуктивность, шунтирующая нагрузку; к — номер ячейки. Число ячеек п обычно удовлетворяет соотношению (6.11)

и

п = (2ч-8) 104 (7.23)

Водородные тиратроны. В линейных импульсных модуля­торах почти исключительно применяются водородные тира­троны. Устройство тиратрона показано на рис. 7.44. Он имеет три электрода: катод, анод и управляющую сетку. Расстоя­

ние между анодом и сеткой определяет величину пробивного, а следовательно, и запирающего напряжения.

По конструкции сетка представляет собой перфорирован­ную пластинку или плетеную сетку, расположенную непо­средственно под анодом.

Для получения положительной управляющей характери­стики катод полностью экранируется от поля анода. Для этого в тиратроне имеются за­щитные пластинки сетки и като­да и экран катода. Защитная пла­стинка сетки электрически связа­на с сеткой. При наличии этой пластинки электрическое поле анода не проявляется за преде­лами краев пластинки 6 и, сле­довательно, анод не оказывает воздействия на эмиссию катода. Электроны, испускаемые като­дом, в основном находятся в об­ласти, ограниченной экраном и защитной пластинкой катода.

Рис. 7.44. Устройство водород­ного тиратрона: / — анодный ввод; 2 — колба; 3 — стеклянная манжета; 4 — сетка; 5 — анод; б — защитная пластинка сеткн; 7 — арматура сетки; 8 — экран катода; 0 — защитная пла­стинка катода; 10 — катод

Водород является одним из наиболее активных химиче­ских элементов. Он интенсивно поглощается примесями, со­держащимися в материале электродов, что может вызвать понижение давления водорода и, следовательно, изменение Электрических характеристик тиратрона. С целью недопуще­ния этого электроды тиратрона изготовляют из химически чистого никеля и принимают некоторые другие меры для по­полнения убыли водорода в тиратроне в процессе эксплуа­тации.

Водородные тиратроны обладают положительной сеточной характеристикой и управляются положительными импульса­ми, амплитуда которых от 200 (для большинства тиратро­нов) до 700 в, а длительность несколько микросекунд.

Для каждого тиратрона указывается скорость нарастания сеточного напряжения. Для большинства тиратронов она равна 300—600 в/мксек (табл. 7.7).

Таблица 7.7 Параметры некоторых импульсных водородных тиратронов

Параметр

Напряжение накала, в . .

Ток накала, а

Напряжение анода, кв . . . Падение напряжения в им

пульсе, в

Ток анода в импульсе, а . Ток анода средний, а . . . Крутизна фронта импульса

анодного тока, а/мксек . . Выходная мощность в им

пульсе, квт

Длительность импульса, мксек Число импульсов в секунду,

имп/сек

Параметры поджигающего им пульса: напряжение, кв ....

ток, а

длительность импульса

мксек

скорость ' нарастания кв/мксек

Импульс анодного тока формируется с запаздыванием по отношению к пусковому сеточному импульсу напряжения. Запаздывание составляет несколько десятых микросекунды и зависит от крутизны фронта запускающего импульса, вели­чины анодного напряжения на тиратроне и от состояния ка­тода. Состояние катода зависит от способа питания накала.

При питании накала переменным током переменное электри­ческое поле подогревателя воздействует на околокатодный заряд и влияет на время возникновения ионизационной ста­дии разряда в тиратроне. Запаздывание импульса анодного тока в таком случае может существенно меняться.

В процессе эксплуатации необходимо поддерживать стро­го постоянным напряжение накала тиратрона, так как при понижении накала резко понижается эмиссия катода, а при увеличении накала повышается отрицательное воздействие водорода на оксидный катод.

Срок службы водородного тиратрона зависит от режима его работы и определяется прежде всего рабочим напряже­нием, анодным током, частотой следования и длительностью импульса. Обычно срок службы тиратронов не меньше 500 ч. Его можно, увеличить, если эксплуатировать тиратрон в об­легченных режимах.

Рис. 7.45. Упрощенная эквивалентная схема импульсного трансформатора

Импульсные трансформаторы. Импульсные трансформато­ры широко применяются в импульсных модуляторах и дру­гих устройствах. Основное их назначение заключается в по­вышении амплитуды формируемых импульсов напряжения. Одновременно с этим они согласовывают низкоомный выход модулятора с высокоомным входом генератора СВЧ, изме­няют полярность импульсов, развязывают по Постоянному току цепи и т. д.

Эквивалентная схема ИТ изображена на рис. 7.45, где все элементы приведены к первичной обмотке трансформа­тора.

Трансформация импульсов не должна сопровождаться заметным искажением их формы, которое вызывается дейст­вием индуктивности рассеяния индуктивности намагничи­вания и емкостью С_т трансформатора. С целью уменьше­ния и С_т ограничивают число витков обмоток, увели­чивают объем сердечника трансформатора и применяют специальные схемы соединения обмоток. Коэффициент транс­формации импульсных трансформаторов ограничивают в пре­делах 3—10. Число витков в первичной и вторичной обмотках не превышает нескольких десятков.

Рабочие напряжения на обмотках, как правило, очень вы­сокие, поэтому при изготовлении ИТ уделяется внимание их электрической прочности.

Сердечники ИТ изготавливают из высококачественных сталей с высокой магнитной проницаемостью. Они нави­ваются из лент толщиной 0,02—0,10 мм. Часто для сердечни­ков используется сталь Э310 (прежнее название ХВП)..

Для повышения электрической прочности конструктивно ИТ выполняются в закрытых бачках, заполненных трансфор­маторным маслом. Трансформаторы мощностью более 100кет и напряжением выше 6 ке снабжаются расширителями.

7.18. Линейные импульсные модуляторы с двойной формирующей линией

Принципиальная схема модулятора с двойной формирую­щей линией изображена на рис. 7.46.

Рис. 7.46. Принципиальная схема линейного импульсного модулятора с двойной формирующей линией

Зарядная цепь модулятора включает зарядный дроссель ЗД, зарядный диод Л_и формирующие двухполюсники ИЛ_Х и ИЛ^у первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ.

Зарядный ток проходит по цепи: зарядный дроссель,

Рис. 7.47. Эквивалентная схема РЯДНОЙ цепи приведена на

Процессы в зарядной цепи определяются индуктивностью зарядного дросселя, общей ем­костью формирующих линий, общими активными потерями в цепи и зарядным диодом.

Эквивалентная схема за-

Параметры элементов зарядной цепи подбираются так, чтобы период собственных колебаний в ней, определяемый соотношением (7.14), удовлетворял условию

То ^ 2Г_МИИ,

где Гмин — минимальный период следования импульсов.

Зарядная цепь настраивается так, чтобы при максималь­ной частоте следования импульсов (соответствует Г_мин) ее режим был близким к резонансному. Тогда при всех других частотах повторения импульсов зарядная цепь работает с вы­прямлением зарядного процесса (рис. 7.48). В последнем

Рис. 7.48. Напряжение на линии и заряд­ный ток при выпрямленном зарядном про­цессе

случае период заряда накопителя можно разбить на две ста­дии: стадию колебательного заряда (от 1₀ до Л) и стадию выпрямленного¹ зарядного процесса (от /] до 1%). Естествен­но, зарядный ток течет только на первой стадии (от до /1).

Первая стадия зарядного процесса протекает одинаково при всех частотах повторения импульсов. Продолжительность второй стадии меняется, если меняется частота следования импульсов. Она увеличивается с понижением последней.

Поскольку на второй стадии заряда от 1_Х до (₂ напряже­ние на накопителе не меняется, то в случае выпрямленного заряда напряжение, до которого заряжается формирующая линия, такое же, как и при резонансном заряде (7.15). Сред- нии зарядный ток в выпрямленном режиме определяется со­отношением

= (7.24)

где

Рз—характеристическое сопротивление зарядной цепи; т

х = показатель режима.

* о

Эффективное значение зарядного тока

Разрядную цепь импульсного модулятора составляют во­дородный тиратрон «/7₂, первая формирующая линия ИЛ_и первичная обмотка импульсного трансформатора, вторая ли­ния ИЛ₂.

Обычно в разрядную цепь включают вспомогательный вы­сокочастотный дроссель для уменьшения скорости нараста­ния анодного тока через тиратрон с целью уменьшения теп­ловых потерь в последнем.

Особенностью разрядной цепи рассматриваемого модуля­тора является наличие двух формирующих линий, а поэтому процессы в ней существенно отличаются от процессов в раз­рядной цепи с одной линией.

Нагрузка импульсного модулятора с двойной линией счи­тается согласованной, если ее сопротивление в два раза больше волнового сопротивления формирующих линий, т. е.

#н=2_Рл. (7.26)

Упрощенная принципиальная схема разрядной цепи изо­бражена на рис. 7.49, а, а эквивалентная схема разряда — на рис. 7.49,6.

Как только линия зарядится до требуемого напряжения С/дз, запускается тиратрон, что соответствует замыканию ключа К на эквивалентной схеме рис. 7.49,6. Левый конец первой линии при этом накоротко замыкается.

Этот момент примем за начальный (^=0) для процесса в разрядной цепи.

При коротком замыкании в линии возникают волны на­пряжения и тока. Волны, распространяющиеся в обеих ли­ниях слева направо, будем считать падающими, а распро­страняющиеся справа налево — отраженными.

Коэффициент отражения напряжения в линии в общем случае равен ₀

^т = (7.27)

^нл т Рл

где /?нл — общее сопротивление нагрузки линии, 328

Очевидно, что коэффициент отражения от разомкнутого конца линии, когда /?_Нл ^{= 0}°, равен +1, а от короткозамкну- того конца линии (/?_Нл = 0) равен —1.

С момента замыкания ключа К через тиратрон начинает течь ток (рис. 7.50, а)

и на левом конце первой линии появится падающая волна. Для левого короткозамкнутого конца линия т — — 1, падаю­щая волна отрицательная и равна С/_Л9. Падающая волна,

/ я линия 2-я линия

1-Я линия

Илз

Рис. 7.49. Упрощенная (а) и эквивалентная (б) схемы разрядной цепи линейного импульсного модулятора с двойной формирующей линией

распространяясь слева направо, как бы снимает напряжение с предварительно заряженной линии. Энергия, до этого на­копленная в емкостях линии, переходит в магнитную.

За фронтом распространяющейся слева направо падаю­щей волны напряжение на линии становится равным нулю, однако состояние первой линии впереди фронта падающей волны и состояние второй линии, а следовательно, и нагрузки остаются такими же, как и до запуска тиратрона. Напряже­ние на нагрузке и ток через нее пока что отсутствуют.

Параметры линии подобраны так, что волна распростра­няется в ней на полную длину за время, равное половине длительности импульса, формируемого модулятором, т. е.

\ = УЦр_л. (7.29)

Все это время напряжение на правом конце первой линии сохраняется равным II_лз (рис. 7.50,6).

Первая линия справа нагружена на сопротивление /?„л> равное сумме сопротивлений нагрузки модулятора /?_н, опре­деляемого соотношением (7.26), и второй линии.

У» Ъз

Обе линии одинаковы, поэтому р_л2=р_л1=*р_л. Следователь­но, общее сопротивление нагрузки первой линии

/?„л = 3р_л. (7.30)

Спустя время, равное -тр падающая волна достигнет пра­вого (нагруженного) конца первой линии. Нагрузка линии справа не согласована, а поэтому появится отраженная вол-

на. При /?нл = 3р_л коэффициент отражения равен Уг- На пра­вом конце первой линии напряжение становится равным половине прежнего и меняет полярность, так как отражается отрицательная волна. Это напряжение на правом конце пер­вой линии будет сохраняться в течение времени пробега вол­ны справа налево и обратно (рис. 7.50,6).

В момент / = состояние первой линии в точках 1—4

(рис. 7.49,6) резко изменится, что, естественно, вызывает изменение граничных условий на левом конце второй линии. Вторая линия как бы замыкается на нагрузку через первую линию, вследствие чего во второй линии появится падающая волна. Нагрузка второй линии такая же, как и первой, т. е. /?нл — Зр_л, поэтому коэффициент отражений от левого конца линии также равен У2. Следовательно, напряжение на левом

конце первой линии в этот момент станет равным -у²-

(рис. 7.50,в). По мере распространения падающей волны такое же напряжение устанавливается вдоль линии. В мо­мент / = т падающая волна достигает правого разомкнутого конца линии, отражается и начинает распространяться об­ратно. Распространение волны справа налево означает, что вторая линия в таком же порядке освобождается от энергии, отдавая ее нагрузке через участки линии, находящиеся впе­реди фронта волны. Напряжение на линии и ток в ней на участках за фронтом отраженной волны становятся равными нулю.

Напряжение {/_Л2л У нагруженного^ конца второй линии до момента остается неизменным, равным + -Др-

(рис. 7.50,в).

Итак, в период от /= до — на правом конце первой линии напряжение постоянно и равно а на левом

конце второй линии напряжение постоянно и равно

Нагрузка в это время находится под напряжением, рав­ным {/_Лз (рис. 7.§0, г). Ток в нагрузке (рис. 7.50, д) по­стоянный:

= = (7.31)

Для наглядности на рис. 7.50 по оси абсцисс указано вре­мя, приведенное к половине длительности формируемого им­пульса -у-, т. е. ко времени пробега волны вдоль линии в од­ном направлении. По осям ординат указаны приведенные значения напряжений и токов.

Важно подчеркнуть, что длительность импульса (см.6.10), формируемого модулятором с двойной линией, определяется двойным пробегом волны вдоль одной из линий, т. е.

т = 2 п\ГЦС_и

где п— число ячеек одной линии;

Ь_и —индуктивность и емкость ячейки. Применение двойной искусственной линии в разрядной цепи импульсного модулятора дает ряд преимуществ, связан­ных с тем, что при заданных выходных данных модулятора • 5 напряжение, до которого заряжают-

, г ся линии, понижается в два раза.

"/ Рабочее напряжение на водород- I/ йв ^{ном ти}Р^атР^оне снижается также в

' ^два Р^аза-

Вп

7.19. МАГНИТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

Импульсные модуляторы с ком­мутирующими приборами в виде нелинейных индуктивностей назы­вают магнитными.

/

(7.32)

где ДГ_В — число витков обмотки;

5_С — сечение сердечника; /—средняя длина магнитной линии в сердечнике; Р—магнитная проницаемость материала сердечника.

АВ

Ум**

2'

магнитной индукции к приращению напряженности поля, т. е.

ц = в насыщенном состоянии р_н (области 1—2 и /'—2'

на рис. 7.51) значительно меньше, чем проницаемость в не­насыщенном состоянии [х (область 1—1'). Поэтому и индук­тивность магнитного коммутатора в ненасыщенном состоя­нии (Ц будет значительно больше, чем в насыщенном (Ь_н)- Соответственно и сопротивление дросселя в ненасыщенном состоянии значительно больше, чем в насыщенном. Это основ­ное свойство нелинейных индуктивностей используется в маг­нитных коммутаторах.

Материал сердечника должен обладать определенными свойствами. Прежде всего петля гистерезиса сплава должна быть ближе к прямоугольной, а ее площадь возможно мень­шей. При таких свойствах материала сердечника резко из­меняется величина магнитной проницаемости (ц/р_н ^2000) при его переходе из ненасыщенного состояния в насыщенное, переход из одного состояния в другое происходит при малых значениях напряженности магнитного поля, потери на гисте­резис малы.

Ферромагнитный материал должен обладать также воз­можно большей индукцией насыщения В_Ну что позволяет уменьшить требуемый объем материала сердечника, а сле­довательно, габариты и вес коммутатора.

Таблица 7.8

Характеристики некоторых ферромагнитных сплавов

Материал сердечника должен иметь высокое удельное со­противление. В этом случае уменьшаются потери на вихревые токи. С целью дальнейшего уменьшения этих потерь сердеч­ники навиваются из лент толщиной от 10 до 80 мк.

Промышленность выпускает различные ферромагнитные сплавы с требуемыми свойствами. Лучшими из них являются никелевые пермаллои марки 50 НП, 65 НП и др. В табл. 7.8 приведены характеристики некоторых сплавов.

Схема магнитного модулятора изображена на рис. 7.52. Обычно магнитные модуляторы питаются переменным током, для чего переменное напряжение подается на входные за­жимы 1—2. Трансформатор Тр повышает напряжение до тре­буемой величины. Зарядный дроссель ЗД обеспечивает не-

обходимый режим заряда первого накопительного конденса­тора Сь Дроссели насыщения МК\> М/С₂ и МКз являются магнитными коммутаторами. Искусственная линия ИЛ и им­пульсный трансформатор ИТ имеют обычное назначение.

Емкости конденсаторов С_х и С₂ одинаковы и равны общей емкости С_л искусственной линии.

Индуктивности магнитных коммутаторов выбираются так, что каждая последующая значительно меньше предыдущей, т. е. в ненасыщенном состоянии Л₂^>Ь₃. В насыщен­

ном состоянии также Ь\_и А₂„^>1зн. Индуктивность пер­вого коммутатора в ненасыщенном состоянии должна быть в несколько раз больше индуктивности зарядного дрос­селя. Обычно > (3—5)/,_др.

Первый коммутатор имеет дополнительную обмотку для начального подмагничивания его от источника постоянного тока (через зажимы 9—10).

Индуктивность оконечного коммутатора МК₃ в ненасы­щенном состоянии должна быть значительно больше индук­

тивности первичной обмотки импульсного трансформатора, а в насыщенном — не больше индуктивности ячейки ИЛ.

В магнитном модуляторе выделяют три основные части: входную цепь, трансформирующие каскады и оконечный каскад.

Входную цепь составляют конденсатор С_ь зарядный дрос­сель ЗД и повышающий трансформатор. Она служит для за­ряда конденсатора СЗарядный чтобы цепь была настроена на частоту генератора ш_г, питающе­го модулятор, т. е.

Если начальный запас энер­гии в цепи отсутствует, то напря­жение (рис. 7.53, а) на вторич­ной обмотке повышающего транс­форматора

е = (7.33)

Напряжение на конденсаторе будет изменяться так, как пока­зано на рис. 7.53,6. Математиче­ски это напряжение описывается уравнением

«_С| = (}Е_т (е-* - 1) соз V, (7.34)

где —добротность входной цепи;

а— коэффициент затуха­ния цепи; со₀ — собственная круговая частота цепи.

В исходном состоянии МК\ находится в отрицательном насыщении, т. е. начальная магнитная индукция в его сердеч­нике В (0) =—В„.

Приращение магнитной индукции ДВ в сердечнике свя­зано с напряжением на дросселе соотношением

I

о

_А г, в-сек

где Дб—в——;

дроссель подбирается так,

Рис. 7.53. Графики напряже­ний и магнитной индукции во входном каскаде магнитного модулятора

Напряжение и_С\ действует в точках 3—4 схемы. Оно приложено одновременно к четырем последовательно вклю­ченным элементам МКи М/С₂, МК$ и ИТ. Так как индуктив­ность первого коммутатора значительно больше индуктивно- стей всех последующих элементов, то напряжение и_С\ практи­чески полностью приложено к первому коммутатору.