Układy generatorów .
Generator jest jednym z podstawowych układów w urządzeniach radionadawczych. Wytwarza on drgania (przebiegi) w.cz. wykorzystywane do sterowania mieszaczy i/lub wzmacniaczy mocy. Przyjmuje się, że generator sterujący mieszacz nazywany jest heterodyną. Generator zawiera człon samo wzbudny nazywany oscylatorem oraz człony separujące, filtrujące, stabilizujące i wzmacniające drgania w.cz. Wielkościami charakteryzującymi generator są: częstotliwość, jej stabilność i zakres przestrajania, moc wyjściowa, szumy amplitudowe i fazowe, sygnały uboczne ( harmoniczne ) i rezystancja dopasowania.
Stałość częstotliwości :
Stałość częstotliwości generatorów określana jest miarą bezwzględną w postaci odchylenia delta F [ KHz ] od częstotliwości założonej Fg lub miarą względną w postaci stosunku delta F / Fg w jednostkach ppm (parts per milion), czyli części na milion (10^-6) lub [Hz/MHz]. Rozróżnia się stałość:
- długoterminową (miesiące) - dotyczy ona wzorców częstotliwości,
- krótkoterminową (godziny) - dotyczy ona zmian częstotliwości urządzenia w czasie doraźnej pracy (QSO),
- niestałość początkową, występującą w czasie pierwszych minut po włączeniu urządzenia.
Powolną zmianę częstotliwości nazywa się dryftem częstotliwości (ang.: drift - płynięcie). Dryft może mieć tendencję dodatnią, ujemną lub zmienną. Wzorce częstotliwości powinny mieć dryft nie większy niż 0,01 ppm (10^-8) na rok oraz dokładnie określoną częstotliwość wyjściową i układ pomiarowy. Pracują one zazwyczaj w termostacie. Przy szczególnych wymaganiach wzorce te porównuje się, a nawet synchronizuje z wzorcami międzynarodowymi, np. WWV, Warszawa I na 227 kHz (10^-11<>10^-13).
W popularnych urządzeniach radiowych i częstościomierzach nie stosuje się termostatów i uzyskuje stałość 0,1 do 1 ppm. W urządzeniach tych stabilizacja warunków pracy następuje po kilku minutach od włączenia (w lampowych po ok 30 min), po czym dryft częstotliwości przy częstotliwości 100 MHz nie powinien przekraczać 100 Hz/h, a w urządzeniach lampowych 500 Hz/h. W urządzeniach ze skalą cyfrową niewielki dryft nie stwarza problemu, gdyż można go łatwo skorygować na podstawie odczytów ze skali cyfrowej.
W urządzeniach FM dopuszcza się dryft krótkoterminowy do 1 kHz.
|
Rodzaje generatorów: W zależności od sposobu stabilizacji i przestrajania rozróżnia się następujące rodzaje generatorów:
Największą stabilność i najmniejsze szumy fazowe (rys. 1) uzyskuje się w oscylatorach o największej dobroci, a więc XO. Przy przeciąganiu częstotliwości (VXO) przy znacznym odstrojeniu stałość i szumy pogarszają się, lecz są nadal znacznie lepsze niż w zwykłym VFO. Oscylatory VCO przestrajane warikapem mogą uzyskać dużą stabilność, szczególnie w układach PLL, lecz mają znaczne szumy fazowe. |
Częstotliwości harmoniczne i uboczne :
Wszystkie oscylatory mają elementy nieliniowe ograniczające amplitudę drgań. Elementy te powodują generację harmonicznych. W pewnych układach harmoniczne oscylatora wykorzystuje się do powielania częstotliwości lub do synchronizacji innych, mniej stabilnych oscylatorów, albo na drodze syntezy, do uzyskiwania częstotliwości pochodnych. We wszystkich układach niepożądane harmoniczne dostając się na wyjście nadajnika wywołują sygnały fałszywe, gwizdy interferencyjne i zniekształcenia intermodulacyjne. Im więcej w nadajniku jest generatorów i stopni przemiany częstotliwości, tym ryzyko zniekształceń w odbiorniku jest większe. W dobrym nadajniku poziom sygnałów fałszywych nie powinien przekraczać szumów progowych, a sporadycznie najwyżej o 1 do 3 dB. Harmoniczne i ich kombinacje, pojawiające się w torze nadawczym, stają się przyczyną zakłóceń radiowych i telewizyjnych co niemiłosiernie wkurza PAR.
Aby zmniejszyć poziom sygnałów fałszywych należy:
- formować sygnały przy minimalnych poziomach, na liniowych zakresach pracy elementów aktywnych (poniżej 10 dBm ~ 10 mW),
- eliminować zbędne sprzężenia elektrostatyczne i magnetyczne między obwodami, a nawet przewodami,
- stosować szerokopasmowe filtrowanie i stabilizowanie zasilaczy, często stosować dodatkowe elementy filtracji RC lub LC,
- hermetycznie ekranować oscylatory i dzielniki TTL oraz zasilać je z odrębnego zasilacza.
- stosować w torach generatorów i wzmacniaczy po każdej zmianie częstotliwości i na wyjściu dopasowane impedancyjnie, filtry środkowo lub dolno przepustowe,
- montować poszczególne układy jako oddzielne podzespoły i dobierać właściwe punkty dołączenia do masy,
- stosować zasady montażu UKF, tj. z minimalnymi indukcyjnościami doprowadzeń.
Zasady projektowania i wykonywania generatorów :
Przy projektowaniu i wykonywaniu generatorów odpowiadających współczesnym wymaganiom należy przestrzegać następujących zasad.
- Konstrukcje VFO, VCO, XO, VXO muszą być bardzo sztywne, nie ulegać chwilowym ani trwałym deformacjom, być wolne od mikrofonowania ( podatności na wstrząsy ). Ekran musi tworzyć zwartą, zamkniętą skorupę, a ścianki powinny być odległe w szczególności od cewek. Pokrywa powinna być w wielu miejscach łączona z bokami. Przepusty elementów ruchomych powinny być oddzielone sprzęgłem izolacyjnym, zaś wszelkie doprowadzenia prawidłowo ekranowane. W konstrukcjach lampowych stosujemy tylko i wyłącznie montaż przestrzenny, o płytkach laminowanych nawet nie ma mowy, co wyjaśnię przy innej okazji.
- Kompensacją termiczną należy obejmować cały generator i kończyć ją po termicznym "starzeniu" układu. Starzenie termiczne polega na kilkakrotnym zagrzaniu generatora do około +60 stopni C (np. w piekarniku) i ochłodzeniu do +5 stopni C (lodówka), nie dotyczy to oczywiście generatorów lampowych, przynajmniej nie samych lamp, które w lodówce z pewnością szlag by trafił. Po każdej wymianie kondensatora związanej z lutowaniem należy odczekać co najmniej 1 godzinę, a lepiej wykonać jeden cykl starzenia. Dobrą kompensację termiczną w określonym przedziale temperatur można uzyskać, jeśli przeprowadza się ją bez pośpiechu. Wykonywanie kompensacji w ciągu 1 - 2 tygodni nie jest przesadą (oczywiście tylko w wypadku profesjonalistów).
- Niestabilność częstotliwości wywoływana jest nagrzewaniem się tranzystorów i diod pod wpływem płynących przez nie prądów stałych oraz cewek i kondensatorów nagrzewanych prądami w.cz. Korzystne jest stosowanie kondensatorów łączonych równolegle, gdyż mniej się nagrzewają i łatwiej jest dobrać właściwy wypadkowy TWP ( temperaturowy współczynnik pojemności ). Należy unikać stosowania cewek na rdzeniach ferrytowych. Rdzenie można wprowadzać tylko dla drobnej korekty i to od strony zimnego końca cewki. Cewki można mechanicznie stabilizować klejem epoksydowym bez wypełniaczy, lecz należy używać go jak najmniej, gdyż obniża on dobroć cewek (poxipol np. to klej ze sproszkowanym żelazem !!! i szkłem ). Najkorzystniejsze są cewki z CuAg (miedź srebrzona) nawinięte na porcelanowy lub bakelitowy karkas, umieszczone w ekranie przy zachowaniu odległości od ścianek co najmniej 3-krotnie większej od średnicy cewek. Karkasy z tworzyw sztucznych mogą być stosowane jedynie w przypadku mniejszych wymagań. Kondensatory w obwodzie rezonansowym powinny być polistyrenowe i powietrzne. Kondensatory mikowe mają mały TWP i dużą dobroć, lecz zdarzają się wśród nich niestabilne w czasie.
- Obwody rezonansowe powinny mieć jak największą dobroć Q co wymaga dużego stosunku L/C i być możliwie słabo sprzężone z tranzystorem i stopniem następnym, by dobroć robocza Qo była nadal duża. Oscylator powinien być oddzielony od stopnia wyjściowego za pomocą stopnia aperiodycznego.
- Należy stosować mało szumne tranzystory z częstotliwością graniczną kilkakrotnie większą od roboczej. Tranzystory bipolarne i polowe dają równorzędne wyniki lecz tranzystory polowe dają układy nieco prostsze i mniej krytyczne w doborze punktu pracy oraz mają mniejsze szumy. Należy preferować tranzystory o większym wzmocnieniu, jednak niezbyt dużym (beta < 200), gdyż dużym wzmocnieniom towarzyszą zwykle większe szumy strukturalne tranzystora. Należy także preferować tranzystory o większej mocy, mimo że się jej nie wykorzystuje. Jeśli chodzi o lampy to powinny być to specjalne modele stworzone tylko do pracy jako sinus-oscylatory, ich specjalna konstrukcja zapewnia bowiem optymalne parametry generatora. Najczęściej są to triody ze względu na niskie szumy śrutowe, nierzadko pracujące do 3 GHz, a mocy 4 Watów.
- Warikapy stosowane w VCO powinny pracować przy dużym ujemnym napięciu polaryzacji i zmieniać pojemność w małym (liniowym) zakresie. Wymaga to małych pojemności dodatkowych w układzie lub łączenia równoległego warikapów. Warikapy powinny być kompensowane termicznie włączonymi w szereg diodami krzemowymi. W układach lampowych nie stosuje się warikapów ze względu na duże napięcia ( choć istnieją specjalne ich wersje, lecz są trudno dostępne ), odpowiednikiem warikapa jest lampa w układzie reaktancyjym, jako że jest to szerokie zagadnienie, teoria układów reaktancyjnych będzie opisana w osobnym rozdziale.
- Napięcia zasilające muszą być starannie odfiltrowane dla całego zakresu widmowego. Diody Zenera bardzo szumią i nie mogą być stosowane bezpośrednio w układzie napięcia polaryzującego warikapy i tranzystory. Wrażliwość generatorów VCO wynosi często 1 kHz / mV, stąd niewielkie szumy napięcia zasilającego przetwarzane są w znaczne szumy fazowe. W heterodynach lampowych dobrą praktyką jest żarzenie lamp generacyjnych prądem stałym stabilizowanym, co eliminuje przydźwięk siei energetycznej. Dodanie oddzielnego transformatora zasilającego anody tych lamp również powinno polepszyć stałość oscylacji. Należy unikać stosowania stabilitronów lampowych gdyż wprowadzają one różne dodatkowe pasożytnicze oscylacje, o czym będzie jeszcze kiedyś mowa.
|
Generatory LC-VFO i VCO
Z teorii układów generacyjnych wynika, że dla powstania i utrzymania się drgań niegasnących muszą być spełnione odpowiednie warunki amplitudy i fazy.
Podstawiając konkretne elementy indukcyjne i pojemnościowe do układu ogólnego, którego nie będę opisywał otrzymuje się układy podstawowe: Colpittsa i Hartleya. Różnią się one sposobem podziału napięcia. Poza tymi układami jedno tranzystorowymi/lampowymi oscylacje można wzbudzać w układzie Meissnera, w którym odwrócenie fazy uzyskuje się przy pomocy transformatora. Na schematach, dla narzucenia warunków fazowych, kropką oznacza się początki uzwojeń, robiąc jednocześnie założenie, że wszystkie uzwojenia nawijane są w jednym kierunku. W oscylatorze Meissnera częstotliwość generacji narzucona jest przez obwód rezonansowy włączony w obwód kolektora lub bazy. Układ Meissnera był swego czasu często stosowany w radiach lampowych, ze względu na korzystne rozwiązania układowe. Przeważnie układy tego typu pracują do ok. 150 MHz, lecz ze względu na szereg wad własnych, w tym konieczności przebudowywania transformatora podczas strojenia, układu tego stosować w nadajnikach nie będziemy. Wszędzie tam gdzie zachodzi potrzeba generacji stabilnego przebiegu bardzo wielkiej częstotliwości, stosuje się układy Colpittsa i jego odmiany.
|
Przy przestrajaniu pojemnością korzystniejszy jest układ Hartleya, gdyż w czasie przestrajania podział napięcia praktycznie nie ulega zmianie. Układ Hartleya umożliwia stosowanie dużych indukcyjności L i małych pojemności C, a przy dużym stosunku L/C uzyskuje się większą dobroć obwodu.
W oscylatorze Hartleya odczep na cewce wykonuje się na wysokości 1/5 do 1/3 liczby zwojów, licząc od zimnego końca cewki. Konieczność wykonywania odczepów utrudnia optymalizację sprzężenia, a w przypadku przełączania zakresów wymaga dodatkowej sekcji przełącznika. Małe pojemności układu rezonansowego umożliwiają stosowanie warikapów do przestrajania częstotliwości (VCO).
Przestrajanie pojemnościowe w oscylatorach Colpittsa wymaga stosowania agregatu złożonego z dwóch kondensatorów zmiennych, co pozwała na utrzymanie stałego stosunku pojemności C2 do C1. Przy małych zakresach przestrajania, jeden z kondensatorów można uczynić stałym, a przestrajać tylko drugi. Można także dołączyć równolegle do cewki kondensator zmienny C2 (rys. 2), lecz wtedy należy odpowiednio zmniejszyć i tak już niekorzystnie małą indukcyjność cewki. Pojemności wejściowe i wyjściowe tranzystora dodają się do pojemności obwodu, a ponieważ są one niestałe, wpływają na częstotliwość generacji tym silniej im niniejsza pojemność występuje w dzielniku Colpittsa (C1 /C2). Ponadto rezystancje: wejściowa i wyjściowa i obciążenie RL silnie tłumią obwód rezonansowy, obniżając znacznie dobroć obwodu a tym samym obniżając stałość częstotliwości. Z tych powodów w praktyce najczęściej stosowane są zmodyfikowane układy Colpittsa.
Modyfikacje poszły w dwóch kierunkach:
zwiększenia stosunku L/C i zwiększenia pojemności dołączonych równoległe do tranzystora. Pierwsze działanie zwiększa dobroć układu, a tym samym jego stabilność, a drugie zmniejsza wpływ zmian parametrów tranzystora na pojemność wypadkową obwodu, a ponadto zmniejsza obciążenie wnoszone przez tranzystor do obwodu rezonansowego.
Najbardziej popularną zmodyfikowaną wersją układu Colpittsa jest układ Clappa (rys. 2). W szereg z cewką L włączona jest stosunkowo mała pojemność Cz, która może być przestrajana. Zmniejsza ona pojemność wypadkową obwodu powodując możliwość zwiększenia indukcyjności nawet 3-krotnie w stosunku do układu podstawowego. Ponadto pojemność dodatkowa Cz jest trzecim ogniwem dzielnika napięcia, skutkiem czego zmniejsza się sprzężenie obwodu z tranzystorem. Pojemność Cz nie może być zbyt mała, gdyż następuje zerwanie drgań generatora. Wadą układu jest znaczna zależność napięcia wyjściowego generatora od pojemności Cz.
Odmianą układu Clappa jest układ Rakara, który różni się od poprzedniego miejscem połączenia układu z masą. W generatorze Clappa zastosowano układ ze wspólnym kolektorem, zaś w generatorze Rakara układ ze wspólną bazą.
Mniejszą zmienność amplitudy przy przestrajaniu uzyskuje się w układzie Seilera (rys. 2) w którym, wzorem układu Clappa zastosowano małą pojemność szeregową Cs, lecz jest ona stała, zaś oscylator jest przestrajany kondensatorem Cz dołączonym wprost do cewki. Jest to najbardziej optymalne rozwiązanie. Odmianę tego układu stanowi układ Vackara. Różni się on od poprzedniego tym, że druga strona kondensatora zmiennego dołączona jest do emitera, który może być także połączony z masą. W układzie tym amplituda sygnału jest jeszcze mniej zmienna.
Wśród układów dwu tranzystorowych najczęściej spotyka się układ Franklina (rys. 2). Pierwszy tranzystor T1 pracuje jako wzmacniacz w klasie A, drugi daje dodatkowe wzmocnienie i odwraca fazę. W wyniku dużego wzmocnienia (które gwarantuje solidny odstęp sygnału od szumu) można stosować bardzo małe pojemności sprzęgające Cs, rzędu pojedynczych pF. Najsilniejsze dodatnie sprzężenie zwrotne występuje na częstotliwości rezonansowej obwodu LC i na tej częstotliwości pracuje oscylator. Bardzo mała pojemność Cs skutecznie izoluje obwód LC od zmiennych parametrów tranzystora. Prosty układ LC bardzo ułatwia przełączenie zakresów.
Kolejnym układem dwu tranzystorowym jest układ Butlera (rys. 2). Sprzężenie między tranzystorami następuje przez obwód szeregowy LC włączony między emiterami. Układ ten jest często wykorzystywany w oscylatorach kwarcowych.
Podany przegląd układów VFO wskazuje na to, iż zasady pracy poszczególnych oscylatorów są podobne. Żaden z nich nie jest doskonały, jednak na wyróżnienie zasługują układy Clappa i Seilera oraz Franklina. Warunkiem dobrej pracy tych oscylatorów jest przestrzeganie zasad podanych wyżej. W konkretnych schematach oscylatorów spotyka się często równoległe i szeregowe łączenie kilku kondensatorów zamiast jednego lub dwóch. występujących na schematach ogólnych. Wynika to ze stosowania kondensatorów o różnych TWP dla termicznego skompensowania całego układu oraz dla przestrajania w paśmie przez kondensator zmienny. Schematów tych nie można bezkrytycznie powtarzać w realizacji, gdyż inne elementy i inne ich wzajemne usytuowanie zmieniają warunki pracy. Dotyczy to tak kompensacji termicznej, jak i dobrania optymalnego sprzężenia. Zmiana egzemplarza tranzystora z reguły wymaga ponownej optymalizacji układu.
Druga wersja tego rozdziału jaką przygotuje za jakiś czas będzie wzbogacona o oscylatory kwarcowe, listę lamp generacyjnych mało szumiących.
Konkretnych rozwiązań generatorów opartych na tranzystorach opisywać tu nie będę bo to nie moja działka, powyższe schematy ideowe i opisy mają za zadanie jedynie zwrócić uwagę na problemy związane z projektowaniem układów generacyjnych, jak i pokazać pewne podstawowe układy, z których istnienia elektronicy amatorzy często nie zdają sobie sprawy.
Na koniec zajmijmy się trochę generatorami lampowymi. Jak już wspominałem użycie lamp generacyjnych daje najlepsze rezultaty, co nie znaczy że inne się nie nadają. Najlepiej zastosować układ Colpittsa lub jego odmianę (robi się tak w TV i innych układach wysokiej jakości), która po odpowiedniej kompensacji powinna być względzie stała w czasie i amplitudzie. Cewka powinna być wykonana z grubego drutu CuAg od 1mm do 2mm na karkasie ceramicznym, żłobionym aby zwoje nie ulegały przemieszczeniom. Nad cewką obwodu rezonansowego (na wspólnym karkasie) powinniśmy umieścić drugą cewkę słabo sprzężoną z pierwszą która będzie obwodem wyjściowym generatora, a wszystko po to by do układu heterodyny nie wprowadzać dodatkowych pojemności pasożytniczych wprowadzanych przez lampy separatora. Sprzężenie tych dwóch cewek powinno być takie aby słabo obciążało układ generacyjny a jednocześnie dawać dużą amplitudę na wyjściu co podniesie stosunek sygnału do szumu. Punkt pracy lampy powinien być tak dobrany aby lampa pracowała dużo poniżej nominalnej mocy, co wiąże się ściśle z problemem emisji wtórnej powstającej przy uderzeniu elektronu w anodę i wybiciu z niej kilku elektronów, które są z kolei są przyczyna powstawania szumów emisji wtórnej. Niedopuszczalne jest z tego względu żarzenie się anody. Większość lamp posiada zewnętrzny ekran który podnosi nieco temperaturę bańki lampy, chłodzenie strumieniem powietrza raczej nie wchodzi w grę gdyż warunki temperaturowe byłyby niestałe a i fluktuacje powietrza w karkasach cewek powodowały by niestałość oscylacji, tak więc komora heterodyny powinna być tak zaprojektowana aby temperatura wewnątrz samoczynnie utrzymywała się na stałym poziomie. Niestety w takim wypadku ustabilizowanie się częstotliwości po włączeniu całego układu nastąpi nie wcześniej jak po 30 min, co jest de facto jednym z największych mankamentów lamp elektronowych. Zaradzić temu można dołączając układ dyskryminatora fazy i częstotliwości który podstrajał by obwód rezonansowy, lecz jedynie w przypadku gdy częstotliwość heterodyny będzie stała. W naszym przypadku będzie ona niestety zmienna co jest spowodowane modulacją FM z wykorzystaniem lampy w układzie reaktancyjnym, która zmienia wypadkową pojemność obwodu rezonansowego w takt napięcia modulującego m.cz. , o czym będzie mowa w następnych rozdziałach.
Rozdział ten w obecnej wersji pozostanie czysto teoretyczny, konkretne rozwiązania jak i obliczenia zaprezentowane zostaną za jakiś czas kiedy zakończę badanie właściwości kilku odmian generatorów i lamp. W między czasie dodam rozdziały poświęcone szczegółowo rezystorom, cewkom i kondensatorom.
Mam nadzieję że nie zawiodłem nikogo brakiem szczegółów, w przypadku pojawienia się większej ilości głosów proszących o nie, wszystkim zagadnieniom poświęcę po jednym osobnym rozdziale.
Na podstawie :
Poradnika UKF,
Poradników Radioamatora,
Tablic Radiotechnicznych,
Podręcznej Encyklopedii Radioamatora,
Książek poświęconych budowie i strojeniu odbiorników heterodynowych.
Gdyby ktoś chciał nawrzucać mi z jakiegoś powodu piszcie na mój adres mailowy.
copyright by Balcer [luty 2000]
[ index # idea # technika # info ]