пряжений на обоих входах и формирует управляющее напряжение на входе регулирующего элемента (ключа), закрывая или откоы вая его. При отклонении выходного напряжения от номинального значения изменяется момент времени срабатывания компаратора т. е. длительность управляющего импульса на входе ключа. Принцип работы схемы (рис. 9.11, а) можно проиллюстрировать с' помощью временных диаграмм (рис. 9.11, б).

Существует класс импульсных стабилизаторов релейного типа в которых схема сравнения представляет собой релейное устройство, которое срабатывает, если часть выходного напряжения становится равной значению порогового напряжения U op реле. Недостатком стабилизаторов релейного типа являются относительно высокие пульсации выходного напряжения, так как срабатывание релейного устройства осуществляется только при изменении выходного напряжения.

Поскольку напряжение после ключевого элемента представляет собой последовательность импульсов, необходимым элементом импульсного стабилизатора является сглаживающий фильтр с высоким коэффициентом сглаживания. Обычно в качестве сглаживающего фильтра в импульсных стабилизаторах используют Г-образные LC-фильтры.

Процессы, характеризующие работу импульсного стабилизатора с Г-образным LC-фильтром (рис. 9.12, а) без учета особенностей системы формирования управляющих импульсов, проиллюстрированы временными диаграммами на рис. 9.12, б.

Предположим, что в момент времени t=0 регулирующий транзистор открыт и ток через катушку индуктивности нарастает по линейному закону:

(9.16)

где tt(0)-ток, проходящий через катушку в момент отпирания транзистора.

В момент времени t=-t\ транзистор закрывается (ключ размыкается). Ток Uiti) убывает также по линейному закону, протекая

через открытый диод (в отсутствие диода на закрытом транзисторе розникли бы недопустимые перегрузки по напряжению, которые могли бы привести к выходу его из строя):

iLiM-i- (9.17)

Затем в момент времени t2 снова замыкается ключ (открывается транзистор) и ток ii начинает увеличиваться по линейному закону. Цикл повторяется.

Режим работы стабилизатора при 11(2) >0 называют режимом непрерывного тока. В этом случае выражение для определения пульсации тока, протекающего через катушку индуктивности можно записать как

Al- (t2-h)= / зам- (9.18)

Пульсацию выходного напряжения А^вых определим, учитывая, что в установившемся режиме работы схемы средние значения токов, прогекающих через катушку индуктивносги и нагрузку, равны между собой. Следовательно, среднее значение тока, протекающего через конденсатор, равно нулю, а изменение напряжения на нем (пульсация выходного напряжения определяется только пульсацией тока tl). Когда ток ii выше среднего значения /ю; напряжение иа конденсаторе с увеличивается. При уменьшении it относительно ho напряжение Uc также уменьшается. Таким образом, можно записать уравнение балланса электрических зарядов в цепи катушки индуктивности и конденсатора

- = 2Ш,,С, (9.19)

где Г - период переключения ключевого транзистора, AiJ2 - среднее значение тока, протекающего через конденсатор за половину периода, т. е. Т/2, 2А{/вых - изменение напряжения на конденсаторе за половину периода.

Подставляя ,выражение (9.18) в (9.19), после несложных преобразований получим

(вх-вых)4ам (9 20)

Из выражения (9.20) следует, что для обеспечения малой пульсации выходного напряжения необходимо увеличивать частоту регулирования /. Однако при увеличении частоты возрастают потери Мощности в регулирующем транзисторе, катушке индуктивности, что приводит в конечном счете к снижению КПД. Обычно ча-ота регулирования импульсных стабилизаторов напряжения лежит в пределах 2-50 кГц.

Расчет компенсационного стабилизатора непрерывного действия

Выбрать и рассчитать схему последовательного стабилизатора напряжения л параметрами /Сст>10. Исходные данные для расчета: (/и=12 В; Д(/вх = ±2 В-

/нт.х = 2 А; (/нш.п = 4 В; (/ шах = 6 В.

Решение

1. Выбираем тип регулирующего транзистора из условий

fK3max = fBX + А^вх - fHmln = Ю В < кэтахдош ктах = кэтах^нтах = 20 Вт < Яктахдош /нтах < /кдоп-

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа КТЭ08А с параметрами

/ктахдон = lO-i -ктахдоп^бО Вт, Й21&=80, кэтвхлоп = 65 В.

2. Рассмотрим возможность получения заданных параметров схемы при использовании в качестве усилительного элемента операционного усилителя (см. рис. Э 5). Запишем

fBbixoy = £/бэ -Ь^нтах = 6,6 Б < f/выхтахоу. (921)

/выхоу =/бтах =/нтах/С + A2l3min) = 25 мА < /выхтахоу. (9.22)

где (/вых max оу, /вых max оу - ПреДСЛЬНЫС ЗНЗЧеИИЯ ВЫХОДНЫХ НЗПрЯЖеНИЯ И ТОКЗ

операционного усилителя.

Выбираем операционный усилитель типа К157УД1, для которого (/аыхтахоу=

= 12 В, /выхтахоу = 300 мА.

Если условие (9.21) не выполняется, то в качестве усилительного элемента следует использовать транзистор. При невыполнении условия (9.22) в качестве регулирующего элемента используют составной транзистор. Тогда

выхоу = нтах/(1 Ь A2l3l2l32) < выхшахоу

где /г21э|, 2132 - коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов.

3. Для создания опорного напряжения С/оп = (/ст<(/я mir. выбираем стабилитрон КС133А с параметрами (/ст = (/оп = 3 В, /?д=65 Ом, /ствои=10 мА.

4. Определяем сопротивление балластного резистора /?б, полагая, что /стномЗ>

>/.х оу-

R6 = (tBXcp - fon) cTHOM = 0,9 кОм.

5. Для расчета сопротивлений резисторов Ru R2, R3 предположим, что движок в потенциометре R2 стоит в крайнем верхнем положении. Тогда выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение. При крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально.

Б первом случае

fHm.n = выхоу - 6э (-f + 1) fon - U,. (9 23)

Во втором случае

f/. -f5i-fl)f/ -f/63. (924)

Полагая /?з=1 кОм, из системы уравнений (9.23) в кИ) находим Ri =0,5 кОм, /?а=0,5 кОм.

Определим минимальный коэффициент стабилизации схемы, применив общую

формулу

f. и иш1п Ri

\CTmln ~ TJ р Лдел-

-вхтах Авых

Так как /?.=/ * =/ /(!+Asia) - внутреннее сопротивление регулирующего транзистора, 7?,ых~в Си оу - выходное сопротивление схемы без учета делителя, Л:д.л={/?2+ад/(/?1+/?2+Лз). то

U min Каоу -12.10

вхтах Гз (1 + Й21э)

Вопросы и задачи для самопроверки

1. Определить коэффициент стабилизации стабилизатора напряжения, если при изменении входного напряжения от 1 до 3 В напряжение на нагрузке изменилось от 1 до 1,5 В. Ток нагрузки остался неизменным. Ответ. Кст = .

2. Определить выходное сопротивление стабилизатора напряжения, если изменение тока в нагрузке на величину Л/н = 2 А вызвало изменение нагрузочного напряжения ЛС/н = 0,5 В. Ответ. .вых=0,25 Ом.

3. Определить коэффициент стабилизации стабилизатора тока, если при изменении входного тока от /вх1 = 1 до /вх2=5 А ток в нагрузке изменился от / 1 = =0,5 до /н2 = 1,5 А. Ответ. Кст , = 2.

4. Определить номинальный ток стабилитрона, обеспечивающий стабилизацию напряжения. Максимальный и минимальный токи стабилитрона в режиме стабилизации соответственно составляют /сттах=10 мА, /стт1п=4 мА. Ответ.

/стном = 7 мА.

5. Определить сопротивление балластного резистора Яъ в схеме стабилизатора напряжения, представленного на рис. 9.1, а, если напряжение стабилизации составляет и„ = 10 В, а на вход схемы подается напряжение (/вх = 20 В. Входной ток /вх=0,02 А. Ответ. 7?6=500 Ом.

6. Определить ток стабилитрона в схеме рис. 9 1, а, если ток в нагрузке / = =0,02 А, входной ток /вх=0,05 А. Огвег. /ст = 0,03 А.

7. Как изменится ток стабилитрона в схеме рис. 9 1, а, если входное напряжение изменилось на величину Д(/вх=2 В? Сопротивление балластного резистора /?б=200 Ом. Огвег. Л/ст=10 мА.

8. Как изменятся ток стабилитрона входной ток в схеме рис. 9 1, а, если сопротивление нагрузки увеличить в два раза? Изменением напряжения стабилизации можно пренебречь Ответ. Ток стабилитрона уменьшится в два раза. Входной ток останется без изменения.

9. Каким должно быть сопротивление резистора /?б, чтобы стабилитрон в схеме рис. 9.1, а при холостом ходе не вышел из строя? Максимальный ток стабилитрона в режиме стабилизации /сгтах = 100 мА. Входное напряжение

=20 В. Огяег. /?б = 200 Ом.

10. В схеме стабилизатора на рнс. 9.1, а напряжения входное и нагрузки первоначально были равны 20 и 10 В. Определить коэффициент стабилизации, если при изменении входного напряжения напряжение нагрузки изменилось на 1 В, а fOK стабилитрона иа 0,1 А. Сопротивление резистора /?б=200 Ом. Ответ. Ксг=

РАЗДЕЛ III

ПРИНЦИП РАДИОСВЯЗИ. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

ГЛАВА 10

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ И РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ РАДИОСВЯЗИ

§ 10.1. Основные параметры радиопередающих и радиоприемных устройств

Передача энергии с помощью радиосвязи щироко используется при управлении автоматическими объектами. Структурная схема, иллюстрирующая принцип радиосвязи, приведена на рис. 10.1.

Основными устройствами радиосвязи являются радиопередатчик и радиоприемник. Радиопередатчик предназначен для создания высокочастотного сигнала, некоторые параметры которого (частота, амплитуда или фаза) изменяются по закону, соответствующему передаваемой информации. Частота высокочастотного сигнала называется несущей.

Процесс воздействия на один или несколько параметров высокочастотного сигнала в соответствии с законом передаваемой информации называется модуляцией. Высокочастотный сигнал в радиопередатчике формируется задающим генератором.

Элемент, с помощью которого осуществляется воздействие на колебания высокой частоты, называется модулятором. Модулятор является неотъемлемой частью радиопередатчика, так как формирует сигнал информации, подлежащий передаче на расстояние. Модулированные высокочастотные колебания усиливаются усилителем мощности и излучаются в окружающее пространство с помощью антенны.

Радиопередатчик характеризуется следующими параметрами.

1. Мощностью, отдаваемой выходным каскадом в антенну. Увеличение мощности передатчика повышает дальность и надежность радиосвязи.

2. Коэффициентом полезного действия, определяемым как отношение выходной мощности передатчика к мощности, потребляемой от всех источников питания. Особенно важен этот параметр для мощных передатчиков.

3. Диапазоном частот, в котором работает передатчик. При этом перестройка с одной частоты на другую должна осуществляться плавно и по возможности простыми способами.

4. Стабильность частоты, от которой зависят надежность и помехоустойчивость радиосвязи.

5. Коэффициентом гармоник на выходе, определяющим уровень помех радиостанциям, работающим на кратных частотах.

Радиоприемное устройство предназначено для выделения из модулированного высокочастотного колебания, принятого от радиопередатчика, сигнала информации, обеспечивающего нормальную работу потребителя информации.

ПереЗокгщая антенна

ЗоЗающии генератор

Источник онформа ции

Исилитль моцност

Моддлптор

Приемной

Входная цепь

!/сили/7>ель , ,

Высокой * Детекгпор ~

Усилитепь низкой частоты

Радиоприемник

Потредитепь информации

Радиопередатчик

Рнс. 10.1

в качестве нагрузки радиоприемника могут быть использованы телефон, реле, записывающее устройство, установка автоматического регулирования и др.

Полезный сигнал, принятый антенной радиоприемника, сопровождается помехами. Источниками помех являются искровые процессы в различных промышленных установках, работающих поблизости, грозовые разряды, космические излучения и т. д. Поэтому в радиоприемнике имеются специальные цепи для подавления помех.

Процесс непосредственного преобразования модулированных высокочастотных колебаний в информативный сигнал называется детектированием, а устройство, в котором оно происходит,- детектором. Детектор является неотъемлемой частью любого радиоприемного устройства.

Так как мощность полезного сигнала, принимаемого антенной приемника, обычно мала, то в нем предусматриваются усилитель высокой частоты, нагрузкой которого является детектор, и усилитель низкой частоты, усиливающий после детектора сигнал информации.

Радиоприемник, выполненный по структурной схеме рис. 10.1, Называется приемником прямого усиления, так как Частота принятого радиосигнала при его усилении и фильтрации остается неизменной.

Радиоприемное устройство характеризуется следующими пара-страми.

Чувствительностью, т. е. способностью радиоприемника при- Мать слабые сигналы. Чувствительность оценивается минималь-

ным значением сигнала в антенне, обеспечивающим заданную мощность выходного сигнала информации, и зависит от усилительных свойств усилителей, входящих в схему радиоприемника. Чем больше коэффициент усиления усилителей, тем выше чувствительность радиоприемника.

2. Избирательностью, т. е. способностью приемника выделять из суммы различных сигналов и помех сигналы нужной радиостанции. Чем выше избирательность приемника, тем меньше влияние на полезный сигнал помех и сигналов посторонних радиостанций

Избирательность приемника зависит от числа каскадов в усилителе высокой частоты и качества резонансных фильтров в каждом каскаде. Повышение избирательности приемника связано с увеличением количества контуров и каскадов усиления в приемнике, что повышает его стоимость и усложняет настройку. Поэтому в зависимости от назначения приемника его избирательность имеет конкретное значение, которое задается при проектировании радиоприемника.

Количественно избирательность определяется как отношение коэффициента усиления приемника при его настройке в резонанс к коэффициенту усиления при определенной расстройке: s-

= Кир/Ки-

3. Выходной мощностью, т. е. мощностью, отдаваемой в нагрузку. Величина этой мощности зависит от назначения приемника и обычно задается при проектировании.

4. Качеством воспроизведения выходного сигнала, характеризующим различие между входным и выходным сигналами информации за счет линейных и нелинейных искажений.

§ 10.2. Радиоприемник супергетеродинного типа

Радиоприемник прямого усиления (см. рис. 10.1) имеет существенные недостатки, главными из которых являются низкие избирательность и чувствительность.

Как уже отмечалось, одной из мер повышения избирательности и чувствительности является увеличение числа каскадов усилителя высокой частоты. Резонансные контуры каждого каскада должны быть настроены на частоту принимаемой станции. Поэтому в приемнике прямого усиления для перестройки контуров обычно используют многосекционные конденсаторы переменной емкости, что усложняет схему, повышает габариты и вес радиоприемника.

В процессе перестройки контуров невозможно получить постоянную избирательность и чувствительность приемника во всем диа^ пазоне частот, так как практически изготовить многосекционныи переменный конденсатор трудно.

Недостатки приемника прямого усиления можно устранить в радиоприемнике супергетеродинного типа, структурная схема которого приведена на рис. 10.2,

в супергетеродинном приемнике сигнал высокой частоты с помощью преобразователя, состоящего из смесителя и гетеродина, рреобразуется в сигнал так называемой промежуточной частоты.

При перестройке промежуточная частота остается постоянной. Поэтому, осуществив основное усиление сигнала в каскадах усилителя промежуточной частоты, можно получить высокие избирательность и чувствительность. Принцип преобразования частоты заключается в следующем. Принятый сигнал с частотой fn и сигнал гетеродина с частотой /гет поступают на смеситель. Гетеродин представляет собой маломощный генератор, вырабатывающий колебания высокой частоты /гет- Частота гетеродина выше частоты принятого сигнала на величину, равную значению промежуточной частоты fnp, т. е. fnp = /reT - /в.

Ьодипй цепь

i/SV

Смесо^ель

Гетеродии

Детектор

Нагрузка

Рис. 10.2

Смеситель работает как нелинейный элемент, в выходной цепи которого возникает целый ряд колебаний с комбинационными частотами frei ± [в, 2freT ± /в, /гет ± 2/в И Т. Д. ДлЯ ВЫДСЛеНИЯ Про-

межуточной частоты / р в выходную цепь смесителя включают колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту.

Чтобы обеспечить постоянство промежуточной частоты при перестройке приемника, частоту гетеродина нужно изменять в соответствии с законом изменения частоты принятого сигнала.

На выходе смесителя сохраняется информация, заложенная в процессе модуляции сигнала высокой частоты. Поэтому после усиления сигнала промежуточной частоты производится операция детектирования, как в обычном приемнике прямого усиления.

Большое число каскадов усилителя промежуточной частоты (УПЧ) с контурами, настроенными только на одну частоту /пр, позволяют получить высокие избирательность и чувствительность приемника супергетеродинного типа в широком диапазоне частот. Но .при этом возрастают собственные шумы и помехи по зеркальному каналу, свойственные только приемнику супергетеродинного типа. Сущность зеркальной помехи заключается в следующем. Пусть нужная радиостанция работает на частоте 2000 кГц. Тогда, приняв, что промежуточная частота равна 465 кГц, найдем частоту гетеродина 2465 кГц. Если одновременно с радиостанцией, работающей на частоте /в=2000 кГц, работает радиостанция на ча-

стоте /зп=2930 кГц, то ее сигнал также пройдет через преобразо. ватель и поступит на вход УПЧ, так как разность частот мешаю' щей радиостанции и гетеродина составляет 2930-2465=465 кГц Из примера видно, что частота мешающей станции отличается от частоты гетеродина на величину, равную промежуточной частотр (рис. 10.3).

Для уменьшения зеркальной помехи резонансные контуры входной цепи и усилителя высокой частоты должны иметь достаточно

узкую полосу пропускания. Уменьшить зер-кальную помеху можно, повышая промежуточную частоту, так как при этом увеличивается различие между частотами нужной и мешающей радиостанций.

Промежуточная частота должна находиться в диапазоне частот, в котором ра-Рис. 10.3 ботает минимальное количество мощных ра-

диостанций, так как сигнал мешающей радиостанции с частотой, равной или близкой промежуточной частоте, через различные паразитные связи может пройти на входе УПЧ и, усиленный, создать помехи на выходе приемника.

Вопросы и задачи для самопроверки

1. Начертить структурную схему радиопередатчика. Объяснить назначение элементов схемы.

2. Какие требования предъявляются к радиопередатчику?

3. Начертить структурную схему радиоприемника прямого усиления. Объяснить назначение элементов схемы.

4. Почему при увеличении избирательности резонансного усилителя может ухудшаться качество воспроизведения звука в приемнике?

5. Каковы основные недостатки радиоприемника прямого усиления? Почему их можно устранить в приемнике супергетеродинного типа?

6. Нарисовать структурную схему радиоприемника супергетеродннного типа. Объяснить назначение элементов схемы.

7. На сколько отличается частота колебаний гетеродина от частоты принимаемого сигнала в радиовещательных приемниках? На какую частоту настроен контур смесителя?

%, Какого рода помехи характерны для супергетеродннного приемника? Перечислить способы их уменьшения.

ГЛАВА 11 КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ

§ 11.1. Свободные колебания в контуре

Функции резонансных фильтров, выделяющих необходимый спектр частот при прохождении сигнала в устройствах радиосвязи, выполняют колебательные контуры.

Колебательным контуром называется замкнутая цепь, состоящая из катушки индуктивности L, конденсатора С, ма-

лого активного сопротивления г и обладающая резонансными свойствами на определенной частоте (рис. 11.1, а). Колебательный кон-.jyp, у которого сопротивление г ничтожно мало (г->-0), считают идеальным. При прохождении тока в идеальном контуре энергия ре теряется.

Рассмотрим случай, когда колебания в контуре создаются без домощи переменной ЭДС. Такие колебания называются свободными. Для возбуждения этих колебаний в контуре можно воспользоваться схемой, представленной на рис. 11.1, б.

Предположим, что контур идеален, т. е.

Если конденсатор с емкостью С идеального Рис. li.i

контура зарядить (например, установить переключатель в положение I) до напряжения батареи Е, то в нем запасается энергия электрического поля

(11.1)

При замыкании заряженного конденсатора С на катушку индуктивности (переключатель в положении 2) энергия, запасенная

в электрическом поле конденсатора, переходит в энергию магнитного поля. Через катушку протекает нарастающий ток, создающий ЭДС самоиндукции, которая препятствует нарастанию тока.

При увеличении тока в катушке (а следовательно, и в контуре) конденсатор разряжается и напряжение на не.м с падает. Таким образом, нарастание тока в контуре соответствует спаду напряжения на конденсаторе. В момент времени t\ (рис. 11.2) напряжение с становится равным нулю. При этом ток через катушку (контур) максимален, вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки l, так как контур по условию идеален. Следовательно,

(11.2)

Энергия магнитного поля катушки определяется выражением

Рис. 11 2