|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы усилители и автогенераторы, в том числе высокостабильные прецизион ные кварцевые на очень низкие мощности при работе от низковольтных источников питания (около 1 В) со специфическими дополнительными требованиями к источнику питания. Таким образом, основными мощными генераторными полупроводниковыми приборами являются биполярные и полевые транзисторы. Преимущества транзисторов перед лампами в мощных радиопередатчиках не столь бесспорны, как в радиоприемных, вычислительных или других маломощных устройствах. Безусловным достоинством транзисторов является устойчивость к механическим воздействиям и большой срок службы (при условии защиты от превышения предельно допустимых напряжений и токов). В условиях правильной эксплуатации их не приходится менять на протяжении всего срока службы аппаратуры. Однако в мощных каскадах передатчиков транзисторы часто используй ют на пределе по току, напряжению, температуре, и поэтому здесь нет оснований рассчитывать на такую же высокую надежность транзисторов, как в маломощных устройствах. Транзисторам присуще постепенное медленное ухудшение свойств (деградация), которое у "мощных" транзисторов из-за работы на предельных режимах происходит интенсивнее, чем у маломощных. Отсутствие цепи накала у транзисторов обусловливает их немедленную готовность к работе, но не приводит к заметной экономии электроэнергии питания, так как затраты энергии в цепях накала современных мощных ламп составляют 4... 5 % и меньше их номинальной мощности. Низкие питающие напряжения резко упрощают систему защиты обслуживающего персонала. Возможность работы всех каскадов передатчика от одного или небольшого числа источников постоянного тока, в том числе непосредственно от батарей или аккумуляторов автомобиля или самолета, заметно упрощает его устройство. Кроме того, низкие питающие напряжения при относительно большой мощности определяют малые нагрузочные сопротивления (десятки, единицы и даже доли ома). По этой причине вредное действие паразитных емкостей, шунтирующих нагрузку, существенно меньше, чем в лампах, что позволяет в широком диапазоне частот (до 100... 1000 МГц) использовать нерезонансные схемы, в том числе двухтактные генераторы с резистивной (апериодической) нагрузкой, исключить перестраиваемые входные, межкаскадные и выходные цепи связи, что улучшает надежность и конструктивные характеристики передатчика в целом и упрощает его настройку. Вместе с тем малые входные и нагрузочные сопротивления затрудняют согласование транзисторов с другими элементами передатчика и друг с другом. Одновременно сильно сказываются индуктивности выводов и монтажа. Меньший (как правило) коэффициент усиления по мощности транзисторов (по сравнению с лампами) приводит к,большему числу каскадов, т.е. к дополнительным затратам энергии и мощности, рассеиваемой внутри передатчика. Большие токи, неизбежные при больших мощностях и малых напряжениях, приводят к дополнительным трудностям при конструировании источников питания для транзисторных передатчиков. В наиболее современных мощных транзисторных передатчиках сейчас практикуется питание каждого каскада, каждого блока (модуля) оконечного каскада от отдельного выпрямителя. Апериодическая (резистивная) нагрузка позволяет строить генераторы, в которых транзисторы работают в режимах с негармоническими формами напряжений. Среди этих режимов особенно интересен ключевой режим, который отличается малой рассеиваемой мощностью, меньшей критичностью к амплитуде входного сигнала и к усилительным свойствам транзистора и отсюда более высокой надежностью. Однако он обладает меньшим коэффициентом усиления по мощности и непригоден в каскадах, предназначенных для усиления колебаний с переменной амплитудой. В передатчиках мощностью приблизительно до 1 кВт полная замена ламп транзисторами приводит к уменьшению габаритов и массы, тем более заметному, чем меньше их мощность. В мощных передатчиках с их блочным (модульным) построением габариты и масса определяются не только активными приборами, но и в значительной степени деталями цепей связи и фильтрующей системы, деталями цепей сложения и разделения мощности, радиаторами, электровентиляторами и другими элементами системы охлаждения. !/1з-за низких допустимых температур транзисторов системы их охлаждения оказываются более массивными и могут потреблять больше энергии питания, чем лампы этой же мощности. Поэтому применение транзисторов может не приводить к существенному выигрышу в массе и габаритах передатчика в целом. Однако в качестве радиаторов маломощных передатчиков иногда можно использовать непосредственно корпус корабля, танка и т.д. Недостатки транзисторных передатчиков прежде всего связаны с высокой стоимостью мощных транзисторов из-за чрезвычайно сложной технологии их производства. Другие их недостатки по сравнению с лампами определяются малой мощностью одного транзистора и высокой чувствительностью их к перегрузкам. Транзисторы, как правило, не допускают даже кратковременных перегрузок по токам, напряжениям и рассеиваемой на них мощности. Отсюда критичность к рассогласованиям с нагрузкой, к изменениям режимов работы и т.д. Транзисторам присуща большая склонность к паразитным колебаниям, в том числе параметрическим автоколебаниям, и главное, выход из строя при их появлении, а также из-за наведенных ЭДС (атмосферное электричество, от Других передатчиков). Это требует сравнительно сложных схем сложения мощностей на выходе передатчика и создания систем защиты транзисторов от превышения напряжений, токов и температуры при работе в изменяющихся условиях (изменения нагрузки, питания, охлаждения и др.), и поэтому дополнительно повышается стоимость, снижается надежность всего передатчика. Существенный разброс параметров транзисторов, их температурная зависимость, а также зависимость усилительных свойств от частоты и режима усложняют построение передатчиков. Из-за низкого коэффициента усиления по мощности транзисторов увеличивается число каскадов передатчиков по сравнению с ламповыми. Транзисторы заметно хуже по линейности амплитудной модуляционной характеристики, им присуща большая паразитная фазовая модуляция. Наконец, следует отметить чувствительность транзисторов к проникающей радиации. На данное время как у нас в стране, так и за рубежом выпускают передатчики, в которых все маломощные каскады транзисторные; во многих передатчиках значительных мощностей (до 10. ..100 кВт) в диапазоне частот приблизительно до 500 МГц транзисторы установлены и в выходных каскадах. Важно, что полная транзисторизация определяется не только уровнем колебательной мощности, но и ее целесообразностью, в первую очередь там, где требуются необслуживаемые передатчики (на космических кораблях и спутниках, при установке в ненаселенной местности и т.д.), или когда время перестройки с одной частоты на другую должно быть малым. Наоборот, например в телевизионных и радиовещательных передатчиках, работающих на фиксированной частоте либо предусматривающих сравнительно редко переход с одной частоты на другую, при эксплуатации которых выделяется время для профилактических работ и перестройки по частоте, полная транзисторизация экономически оправдана при уровнях мощности не выше 1... 10 кВт. Если в оконечных каскадах передатчиков применяются лампы, то транзисторные каскады целесообразно строить на мощность не выше порядка 1,0 кВт. В настоящее время отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают мощные генераторные транзисторы как широкого применения, так и узкоспециализированные. Это в первую очередь определяет диапазон рабочих частот, который для первых и главным образом для вторых жестко связан с их назначением. Специализация коснулась биполярных и всех типов полевых транзисторов. Выпускаются транзисторы, предназначенные для работы в радиочастотных каскадах передатчиков, в импульсных устройствах, стабилизаторах напряжения, во вторичных источниках питания и переключающих схемах. В связи с интенсивным развитием связи на одной боковой полосе в диапазоне от 1,5 до 30.. .80 МГц выпускается широкий набор так называемых линейных транзисторов на мощности до нескольких сот ватт [1.2-1.5], обеспечивающих линейность амплитудной характеристики и паразитную фазовую модуляцию, при которых уровень составляющих третьего порядка Ksj при испытаниях на двухтоновом сигнале ниже -28. ..-32 дБ. Аналогично широкое развитие телевизионного вещания с выходной мощностью передатчиков от единиц ватт до единиц киловатт привело к разработке "линейных" транзисторов для совместного усиления радиосигналов видео- и звукового сопровождения в диапазонах 100.. .200, 170.. .230, 40.. .860 МГц с коэффициентом комбинационных составляющих не более -53... -60 дБ при усилении трехтонового испытательного сигнала [1.1, с. 493]. Применительно к этим и другим типам передатчиков выпускается небольшой набор так называемых сверхлинейных транзисторов, предназначенных для работы в режиме класса А, т.е. с весьма низким КПД как в широкодиапазонных (от 10 МГц до 1 .2 ГГц), так и относительно узкодиапазонных, обеспечивающих не-яинейные искажения на уровне комбинационных составляющих третьего порядка Ksj не выше -50. ..-60 дБ. Выпускаются УВЧ транзисторы, предназначенные для радиоимпульсного режима работы с относительно короткими длительностями (ги < 5 . • • 20 мкс) и с относительно длинными (r„ < 100 ... 250 мкс) при скважности импульсов Q от 5 до 100 и выше. Благодаря снижению средней рассеиваемой мощности и некоторому (около 1,5 раз) форсированию по напряжениям и токам "импульсные" транзисторы обеспечивают в 2.. .3 раза больше мощности. Диапазон рабочих частот этих транзисторов ограничен частотами, выделенными для радиолокации. Для некоторых из них он составляет всего ±50 МГц при средней частоте 1,5 ГГц. В последнее время в связи с интенсивным развитием систем связи с подвижными объектами, в том числе сотовой, разрабатываются специальные транзисторы для работы в диапазонах 450 МГц, 900 МГц и 1800 МГц и главное при низких напряжениях питания = 5; 7,5 В [1.55]. Верхняя рабочая частота /в в генераторных транзисторах, как правило, ограничивается его усилительными возможностями, нижняя /н для биполярных транзисторов -опасностью перегрева его структуры за время протекания одного импульса тока и развитием вторичного пробоя. У многих типов биполярных и полевых транзисторов внутри корпуса устанавливаются дополнительные LC-элементы в виде ФНЧ в цепи базы или эмиттера у биполярных или в цепи затвора у полевых транзисторов, повышающие резистивную составляющую его входного сопротивления до 0,5... 1,0 Ом. Одновременно они компенсируют его реактивную составляющую до 1...2 Ом (обычно индуктивного характера) в рабочей полосе частот, которая может составлять десятки-сотни мегагерц. У ряда СВЧ транзисторов LC-элементы устанавливают как на входе, так и на выходе, соответственно повышая входное и нагрузочное сопротивления, например до стандартной величины 50 Ом. Использование транзисторов со встроенными внутри корпуса цепями связи на других частотах, отличных от указанных в паспортных данных, исключается. Мощности современных биполярных транзисторов ограничиваются 200.. .500 Вт в диапазоне частот до 100 МГц, примерно ста ваттами на частотах до 1 ГГц и единицами - долями ватт по мере приближения к верхней предельной частоте порядка 10 ГГц. Изготовление транзисторов еще большей мощности не оправдано по ряду причин. Во-первых, усложняется проблема отвода тепла. Геометрические размеры корпуса остаются те же, а допустимые тепловые сопротивления корпус-кристалл, корпус-радиатор падают до единиц - долей градусов Цельсия на ватт. Попытки перейти к водяному охлаждению непосредственно корпуса самого транзистора не дали в совокупности положительного результата. Во-вторых, мощность наращивается путем параллельного включения десятков-сотен элементарных транзисторов, так называемых мно-гоэмиттерных транзисторов, размещенных в одном корпусе. При этом резко падает процент выхода годных приборова значит, их цена растет гораздо быстрее, чем мощность. В-третьих, пропорционально снижаются входные и нагрузочные сопротивления транзисторов, которые сейчас составляют десятые доли и единицы ом, что затрудняет взаимное согласование каскадов. Кроме того, все сильнее сказываются индуктивности выводов, и в первую очередь индуктивность общего вывода, несмотря на непосредственное соединение этого электрода с корпусом прибора, позволяющее уменьшить ее до десятых долей наногенри. Частично проблема повышения мощности решается размещением на одном основании с максимальной близостью к друг Другу либо вообще в одном корпусе двух одинаковых, одного типа проводимостей транзисторов, предназначенных для работы в двухтактных схемах. Такие транзисторы называют "сборками" или "балансными". П сравнению с одним обычным транзистором, во-первых, у каждого и двух, рассчитанных на половинную мощность, в 2 раза большие входные и нагрузочные сопротивления. Во-вторых, при последовательно! их включении по входу результирующее входное сопротивление возрЗ стает еще в 2 раза. Таким образом, при одинаковой выходной мощност! входное сопротивление балансного транзистора в четыре раза выше, чем обычного. В-третьих, максимально близкое размещение двух транзисторов упрощает задачу обеспечения короткого замыкания на частотах четных гармоник и позволяет повысить рабочую частоту двухтактных генераторов до 1.. .2 ГГц. В-четвертых, в общем корпусе оба транзистора конструктивно размещаются так, что значительная часть индуктивности общего вывода оказывается общей на оба транзистора. Поскольку в двухтактной схеме при противофазной идентичной работе транзисторов через эту часть индуктивности протекает разностный ток, теоретически равный нулю, то эквивалентную индуктивность общего вывода удается снизить в несколько раз. Рассмотрим параметры и технические характеристики мощных генераторных биполярных и полевых транзисторов, выпускаемых отечественной промышленностью [1.2-1.5]. Биполярные транзисторы. Биполярные генераторные транзит сторы мощностью до 250...500 Вт по своей конструкции значительно отличаются от транзисторов других назначений. Во-первых, транзисторы выполняют по планарной технологии, при которой площадь коллекторного перехода в 3...5 раз больше площади змиттерного перехода. Избыточная площадь создает так называемую пассивную часть коллекторного перехода, которую можно рассматривать как отдельный р-п-переход (диод), включенный между базой и коллектором. Во-вторых, для обеспечения возможности работы при больших плотностях тока из-за эффекта оттеснения тока к периферии змиттерной области на высоких частотах транзисторы выполняют по многоячеечной (многозмиттерной) структуре в виде гребенки, сетки и др., при которой достигается наибольшее отношение периметра электродов к площади. Структура такого транзистора представляет собой параллельное соединение большого числа элементарных транзисторов, у которых коллекторы и базы соединяют непосредственно, а последовательно с эмиттерами часто включают резисторы г*- или г*С*-цепочки для создания отрицательной обратной связи по постоянному току и по радиочастоте или только по постоянному току с целью выравнивания токов элементарных транзисторов. С одиночной многозмиттерной структуры площадью О 03 мм обычно снимается полезная мощность не более единиц ватт. Увеличение мощности до десятков ватт достигается в многоструктурных (многоэмиттерных) транзисторах. Например, 30-ваттный транзистор КТ946 содержит 16 параллельно включенных структур, расположенных в ряд, но на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы можно было эффективно отводить тепло. Наращивание числа структур для получения большей мощности в одном приборе ведет к снижению входных и нагрузочных сопротивлений, что затрудняет согласование транзистора с внешними LCR-цепями. Поэтому в СВЧ транзисторах мощностью в десятки-сотни ватт устанавливают внутри корпуса специальные трансформирующие LC-цепи (так называемые внутрисогласованные транзисторы (КТ979, КТ975 и др.)). В-третьих, при низких нагрузочных и входных сопротивлениях сильно сказываются индуктивности выводов транзисторов. Для их снижения у транзисторов, предназначенных для работы на частотах выше 100 кГц, выводы делают в виде полосок. Для снижения индуктивности общего вывода транзистора (по отношению к входной и выходной цепям генератора) его выполняют в виде нескольких полосок либо непосредственно соединяют с корпусом прибора. Все это позволяет снижать индуктивность выводов до единиц и десятых долей наногенри и применять такие транзисторы только при включении по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или с общей базой (ОБ) в зависимости от того, какой электрод соединен с корпусом. В-четвертых, в мощных транзисторах стремятся снизить тепловое сопротивление кристалл-корпус транзистора до единиц градусов Цельсия на ватт и меньше. При этом сам кристалл помещают (приклеивают) к корпусу прибора через прокладку из оксибериллиевой керамики, обладающей малым тепловым сопротивлением и одновременно хорошими изоляционными свойствами по постоянному току и на радиочастотах. В то же время корпус транзистора обычно имеет сравнительно малые размеры. Поэтому создается очень большое тепловое сопротивление корпус-среда. Для мощных транзисторов оно даже не указывается в паспортных данных, поскольку для его снижения транзисторы всегда необходимо устанавливать на специальные теплоотводы - радиаторы, а иногда применять еще и принудительное охлаждение радиатора (обдув потоком воздуха от злектровентилятора). Для уменьшения теплового сопротивления, возникающего между корпусом транзистора и радиатором, транзистор конструктивно выполняют в виде болта, фланца и т.д., чтобы его можно было плотно, без зазора, крепить к радиатору. С этой целью применяют также специальные смазки. Наконец, в-пятых, мощные генераторные транзисторы выпускаются только п-р-п-проводимости. Транзисторы с р-п-р-проводимостью оказываются существенно хуже по частотным свойствам. Это, а также 0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 размер одежды для новорожденных таблица |