Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 141

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

метры генератора не будут изменяться при увеличении частоты. Если период Т будет сравним с /ф, то такое соотношение будет

соответствовать гибридному режиму работы, и, естественно, энер­ гетические характеристики генератора будут другими. Нижнюю частоту генератора в рассматриваемом режиме можно определить из условия

, „ _ £ « . , . ( _ ib=2L).

( 8 . 85 ,

где fup=~T~ I h — время пролета домена

от катода

к аноду.

8.3.5. Пример

расчета

генератора

на диоде

Ганна

в многоконтурной

резонансной

системе

Основные характеристики генератора на диоде

Ганна — мощ­

ность и к. п. д. —

в режимах с задержкой

образования домена и

в режиме с подавлением домена могут быть улучшены выбором сложной формы напряжения, действующего на диоде, при которой первая гармоника тока будет наибольшей.

Первая гармоника тока, протекающего через диод, будет наи­ большей в случае, когда для половины периода колебаний ток мак­ симален, а для следующей половины периода — минимален. Для синусоидального напряжения, например, в режиме с подавлением

домена время протекания большого тока

через диод,

близкого

к / п ,

всегда меньше четверти периода.

напряжения

на диоде,

В

простейшем случае требуемой формой

необходимой для получения максимальной амплитуды первой гар­ моники тока, является прямоугольная. При прямоугольной форме напряжения ток и напряжение на диоде состоят из нечетных гар­

моник, причем мощность передается гармониками и,

следователь­

но, получить максимальное

преобразование мощности

на основной

гармонике

нельзя. Отсюда

следует, что для получения

максималь­

ного к, п.

д. генератора на основной гармонике форма

напряжения

должна быть такой, при которой имеются или только первая и чет­ ные гармоники, или, в худшем случае, первая и нечетные гармо­ ники, сдвинутые на 90° по отношению к гармоникам тока (в- этом случае не будет-активной мощности, передаваемой на гармониках).

Форма напряжения, удовлетворяющая этим условиям, пред­ ставляет собой полусинусоиду (сумму первой гармоники и беско­ нечного ряда четных гармоник при отсутствии нечетных гармоник). Такую форму напряжения теоретически можно реализовать в мно­ гоконтурной резонансной системе, каждый из контуров которой настроен на частоту определенной гармоники. Реализовать на

практике такую

систему сложно.

В реальных

условиях

можно воспользоваться приближением

к полусинусоиде — формой

напряжения, содержащей первую и

вторую гармоники без четвертой и высших гармоник. В этом слу­ чае работа диода Ганна будет эквивалентна его работе в цепи, со­ стоящей из двух параллельных резонансных контуров, включенных последовательно. Поскольку форма тока через диод при наличии

только двух гармоник напряжения будет

отлична от прямоуголь­

ной,

ток также будет содержать синфазные с напряжением

первую

и вторую гармоники. Таким образом

в двухконтурном резонаторе

не

удается избавиться от переноса

энергии на частоте

второй

гармоники. Однако при соответствующем

йыборе параметров резо­

наторов и нагрузок можно добиться, чтобы

мощность, передаваемая

на частоте второй гармоники была значительно меньше мощности, передаваемой в нагрузку на частоте первой гармоники.

Рассмотрим

один

из

частных

случаев

работы

 

диода

Ганна в

двухконтурной

схеме

(рис.

8.25),

который,

однако,

позволит

пока­

зать основное преимущество

этой

схемы — высокий

к. п. д. [42J.

 

Рис.

8.25.

Эквивалентная

Рис. 8.26.

Форма

напря­

схема

генератора на диоде

жения

и

тока

при работе

Ганна

с двухконтурной

ре­

диода Ганна в

двухконтур­

зонансной

системой.

ной

резонансной

схеме.

Пусть задана вольтамперная характеристика диода Ганна:

аппроксимация

двухпрямолинейная,

n<jL >

10г

см~ 2 ,

известны

/п> Un< Ro< U'n- Времена

рекомбинации

домена

и формирования

пренебрежимо малы и в анализе не учитываются.

 

 

Форма напряжения, действующего на диоде, для рассматри­

ваемой схемы (рис. 8.25) записывается в виде

 

 

 

 

 

 

 

t7 = t70 -T .t71 sincu/—L72 COS2CU/,

 

 

 

(8.86)

представляющем

разложение в ряд полусинусоиды

при опущенных

4-й, 6-й и т. д. гармониках. Форма напряжения

на диоде,

опреде­

ляемая (8.86), и

соответствующая

ей форма

 

тока

показаны на

рис. 8.26.

Будем рассматривать частный случай режима с задержкой

образования домена

сильного поля, когда время пролета

домена

от анода к катоду

равно времени, в течение которого действующее

на диоде напряжение выше порогового (рис. 8.26). Время

может

быть легко определено из уравнения (8.86). Частоту при рассмот15* 435

рении будем считать ниже пролетной. Рассматриваемый случай соответствует наибольшим к. п. д. режима, поскольку время боль­

шого тока через диод при указанном

на рис. 8.26

соотношении /,

и Т наибольшее. Необходимо определить возможные

к. п. д. в дан­

ном случае и сопротивления нагрузки

на частотах первой и второй

гармоник.

 

 

Поскольку по условиям рассматриваемого случая время про­

лета соответствует времени, в течение

которого напряжение на дио­

де начинает уменьшаться ниже порогового с7п , гистерезис вольт­ амперной характеристики отсутствует, и при исчезновении домена

ток через диод

равен

пороговому

/ п - Приняв за начало отсчета мо­

мент времени, в который амплитуда первой

гармоники напряжения

равна нулю, запишем

выражение

для тока

через

диод

 

 

/ 0

 

при 0 < / < Г,

 

Ug^Ul

sin at — Uз cos 2at

при

/' >. I < T—f,

(8.17)

/ (0 =

Ro

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

T—t"

<t <T.

 

Времена t' и f определяются из уравнения (8.86) при U «=» Ои. Получающееся из (8.86) трансцендентное уравнение можно решить численно, задавая значения (Уп , U0 и отношение амплитуд гармоник

Раскладывая в ряд Фурье выражения для тока, получаем поетоянную составляющую тока через диод и амплитуду первой гар­ моники тока соответственно:

1 —

/г,

 

 

 

2л

U„

Г

 

 

1

 

(8.88)

X cos at"—cos

со/' — — (sin 2co/" <#- sin 2co/')

In

f 1,

(cos a/" — cos со/' — 1) —

 

U, (cos со/" — cos со/') ф - UB

 

 

ф — (sin со/" +

sin со/')

-UjkUnx

 

,

 

2

cos3 со/" 4

2

(8.89)

X ( cos со/" — cos со/' —

—

— cos со/'

ОО

Аналогично

можно

определить и

амплитуду второй

гармоники

тока / 3

 

выражения

(8.86),

(8.88), (8.89) и (8.54)—(8.57),

Используя

определяем

искомые

характеристики.

 

Как следует

из анализа

к. п. д. в рассматриваемой

схеме, вве­

дение 2-й гармоники в состав напряжения значительно увеличи­

вает к. п. д. (рис. 8.27). При СУ2 <

І/, ил» при k -> оо форма напря­

жения на диоде синусоидальная

и максимальный к. п. д. состав­

ляет л « 6

1 При расчете графиков,

приведенных на

рис. 8.27,

полагалось,

что напряжение питания

диода постоянно

и равно

t70 =

3,5

Un,

амплитуды

же

(7,

и

C/g — величины

переменные.

Если

при

k ->

оо (7, •< 3,5

t/п

—

Un

=" 2,5 (Уп, го к

п. д. очень

мал, поскольку напряжение на диоде не становится ниже порого­

вого и диод работает в пролетном

режиме. Однако,

так как в данном

расчете времена

формирования

и

рекомбинации

не

учитываются,

П, в этом

случае

равен нулю.

 

При

амплитуде

же

(/,

>

2,5 Ua

П ф 0. С

увеличением амплитуды

второй

гармоники

п.,

возрастает

и становится

максимальным

при

k

~ 3.

Максимальный

к. п. д.

в этом случае

составляет г|, ж

18%

(для

IJla

~

0,5).

 

 

Рис. 8.27.

Зависимость

к.

п. д.

Рис.

8.28.

Зависимость

к. п. д.

двухконтурного

генератора

по

по первой и второй гармо-

первой

гармонике

от

амплитуды

никам, Rt/R0

и

RJRo

от

от-

первой

гармоники

напряжения

ношения

UJUn

 

при

k =

3,

Ux при

и0/ип=:3,Ь,

 

/ и / / „

= 0 , 5 и

 

 

/ ц / / 0

=

0.5-

 

 

различных значениях

ft=

11)111%.

 

 

 

 

 

 

 

Кривые,

приведенные

на

рио. 8.27,

не существуют при боль­

ших значениях амплитуды первой гармоники напряжения. При

больших значениях Ux

нагрузка на частоте второй гармоники

ста­

новится отрицательной, что означает необходимость подачи

энер­

гии на частоте второй гармоники от внешнего источника.

 

Следует отметить,

что при Т =• Зл/2 напряжение, действующее

на диоде, не должно превышать Un.

В противном случае следующий

домен будет возникать при Т =• Зл/2, и к. п. д. уменьшится.

 

Зависимости к. п. д. (Пд, ц2),

сопротивлений нагрузки (/?,, /?2 )

для

первой и второй гармоник от напряжения питания, приведен­

ные

на рис. 8.28,

рассчитаны в предположении,

что напряжение

в момент времени

Т «=> Зл/2

достигает порогового, но не превышает

его,

и новый домен при этом

напряжении не образуется. Как видно

из расчетов, при

lfjla ж 0,5

максимальный к. п. д.,

на частоте пер-

вой гармоники достигает 20% г. е. в три раза больше, чем при синусоидальном напряжении. Максимальные к п. а. достигаются

при U0IUn

-~ 2 -г- 5.

При эгом сопротивления нагрузки на основ­

ной частоте

составляют

/?, -> (6

-і- 30)

/?„, на частоте второй гар^

моники

/ ? 2

= (3 -г 18)

/?„. Значения

сопротивлений

нагрузки на

основной

частоте,

необходимые

для

получения

максимальных

к. п. д. при наличии

второй гармоники, примерно те же, что и при

синусоидальном напряжении. Как показывает расчет, в рассмат­ риваемом случае при /,,//,] ~ 0,4 максимальный к. п. д. на частоте первой .гармоники может достигать =28% [421. Таким образом, усложнение колебательной цепи, в которой работает диод Ганна,

может привести к значительному выигрышу

в мощности

и к. п. д.

Основываясь на приведенном примере частного случая для

режима с задержкой

образования домена,

можно заключить, что

в режимах

с задержкой образования домена

и G подавлением доме­

на введение

сигнала

второй гармоники в более широком

диапазоне

частот позволит увеличить к. п. д. генератора и мощность, отда­

ваемую

в нагрузку, по сравнению с этими характеристиками

гене­

ратора,

работающего при синусоидальной

форме напряжения,

В режиме с подавлением

домена к. п. д. будет несколько

ниже,

чем в режиме с задержкой

образования домена

вследствие того, что

амплитуда импульса большого тока через диод в первом случае, меньше (домен подавляется при < Ua).

Введение сигнала второй гармоники в состав напряжения, дей­ ствующего на диоде, позволяет получать более высокие к. п. д. и в гибридном режиме, и в режиме ОЫОЗ.

8.3.6. Пример

расчета генератора на диоде Ганна

 

в гибридном

режиме

 

Рассмотрим некоторые характеристики генератора на диоде

Ганна в гибридном

режиме в одноконтурной резонансной

схеме.

В § 8.2 было показано, что в течение времени формирования

домена

ток проводимости через диод определяется зависимостью v (Е).

Поэтому при расчетах работы генератора

в гибридном режиме не­

обходимо знать эту зависимость или ее

аппроксимацию.

 

 

 

Предположим, что для конкретного диода Ганна известна ха­

рактеристика

v (Е),

аппроксимируемая

с достаточной

степенью

точности выражением (8.4), где Emm,

f M H H ,

щ, ц.2,

« п ,

Еп

— из­

вестные

величины.

Известны

также

/ п ,

0П,

следовательно,

из­

вестны

R0, концентрация электронов

в

диоде л0 и величина

на­

пряжения или напряженности электрического поля

Е'п, при ко­

торой подавляется

сформировавшийся

домен. Задана

частота,

на

которой

должен работать генератор (этот параметр наиболее

часто

оказывается исходным на практике).

 

 

 

 

 

 

 

Необходимо определить зависимость к. п. д. и сопротивления

яагрузки генератора от приложенного к диоду смещения.

 

 

Поскольку диод Ганна работает в

резонаторе,

напряжение,

действующее

на нем, запишем

в следующем

виде:

 

 

 

 

 

 

 

U = U0

— Ul cos со/,

 

 

 

(8.90)

Смотрите также файлы