книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов
..pdfЕсли ср = 0, к = 1, то
Л = 2 /а^ Л 0С. |
(2.8) |
Колебательная мощность, отдаваемая в нагрузку одной лампой:
Р-у\ ~ |
(2.9а) |
п^ма^а!,,, со зФощ[/1 ’ |
|
|
VI |
Р~П =2^«»7«1к2 С08ф°ЩК2 = 7 С/ма/ а1п *С08 Фощ^ = |
|
||
|
= Р |
008 Ф0щ |
(2.96) |
|
к ------ ^ |
||
|
|
СОЗ фОЩV1 |
|
Результирующая мощность в нагрузке: |
|
||
|
Р ~ |
Р ~УI Р "У2 |
|
008 Ф0ЩГ2 |
|
|
|
=Р VI 1+Аг- |
= - ^ . 1 , , , (°08 Фощп + * С08 ФошК2 ) • |
(2Л0) |
|
СОЗ ф,ОЩу\ |
; |
|
|
Сучетом (2.4), (2.6) последнее выражение приводится к (2.7).
Вслучае полной идентичности токов ламп (ф = ОД = 1):
Р~у\ Р~У2 ~ / м а Ч , ’ Р~ - 2Р-У\ Ш у х
Так как в этом случае согласно (2.6) 1/ш = 2Кое = /а1VI , то
“VI |
“ Р~у2 ~ ^а!^ое > |
Р~ ~ 241(/1 ^ое > |
|
‘ VI |
VI |
что совпадает с (2.8).
Если ф = 0, но к & 1, то ощущаемые лампами сопротивления оказываются резистивными, но разной величины (2.5), вследствие чего лампы будут отдавать в нагрузку-контур разные мощности. Очевидно, при параллельной работе ламп наилучшим является ре жим полной идентичности выходных токов: ф = 0, к = 1. В этом случае лампы находятся в одинаковом по напряженности режиме (например, критическом) и отдают одинаковую мощность.
Из приведенного рассмотрения очевиден главный недостаток параллельного включения ламп: необходимость строгой синфазности и равенства амплитуд анодных токов параллельно включенных ламп. Для этого нужна строгая симметрия схемы, когда для всех ламп обеспечивается одинаковая длина проводников, подводящих напряжения возбуждения к сеткам ламп и соединяющих аноды ламп с контуром нагрузки, когда одинаковы параметры ламп и бло кировочных элементов. При отсутствии симметрии схемы появля ется различие в амплитудах и фазах анодных токов ламп, что при водит к уменьшению колебательной мощности ГВВ и снижению его КПД.
Из других недостатков параллельного включения ламп обычно отмечаются следующие:
1.Увеличивается вероятность возникновения в генераторе па разитных (нежелательных) колебаний. Поэтому необходимо делать монтаж короткими, с большим поперечным сечением проводника ми, индуктивное сопротивление которых мало.
2.Наличие больших входной, проходной и выходной емкостей (емкости параллельно включенных ламп складываются) затрудняет реализацию индуктивности контура нагрузки 1Кс повышением ра бочей частоты генератора:
где Ск - емкость контура с учетом соответствующих емкостей ламп; со - круговая рабочая частота. Чем больше емкость, тем меньше требуется индуктивность, которую сложнее реализовать с обеспе чением высокой добротности.
3. Увеличивается вероятность возникновения неисправностей, поскольку число ламп и других элементов возрастает.
В отношении последнего недостатка следует отметить, что на определенных этапах развития техники радиопередающих уст ройств параллельное включение ламп рассматривалось как способ повышения надежности работы устройства в целом. Дело в том, что самым ненадежным элементом является АЭ-лампа, причем чем мощнее лампа, тем меньше у нее надежность, меньше срок службы. Включение параллельно нескольких менее мощных, но соответст венно более надежных и долговечных ламп позволяет увеличить срок работы генератора по сравнению с генератором на одной, но мощной лампе.
Перечисленные недостатки заставляют избегать параллельного включения большого числа ламп. Обычно ограничиваются двумятремя лампами. При включении параллельно трех ламп с однофаз ным прямонакальным катодом для уменьшения результирующей паразитной амплитудной модуляции за счет магнетронного эффекта питание накалов ламп осуществляется пофазно от трехфазной сети.
Расчет режима ГВВ с параллельным включением ламп начи нают с одной лампы на мощность Р~\ = РУУ, где Р~ - требуемая мощность в нагрузке-контуре ГВВ; N - число параллельно вклю чаемых ламп.
Расчет проводится по обычной методике [1] для выбранного режима: критического, недонапряженного, перенапряженного. В ре зультате расчета находятся напряжения, токи, а также требуемое сопротивление нагрузки для одной лампы К0й\. Затем, предполагая полную симметрию схемы, определяют результирующие токи и мощности в соответствующих цепях, которые будут в N раз больше найденных из расчета для одной лампы. Напряжения на электродах такие же, как для одной лампы. Что касается эквивалентного сопро тивления контура нагрузки Яое> то, поскольку при параллельном включении N ламп ощущаемое одной лампой сопротивление на грузки возрастает в N раз, эквивалентное сопротивление контура должно быть: Кое =Кое\Ш. Очевидно, что при выходе из строя хотя бы одной из N ламп оставшиеся перейдут в менее напряженный ре жим работы, так как ощущаемое сопротивление нагрузки для каж дой из оставшихся ламп уменьшится. Уменьшение напряженности режима снижает КПД по аноду, что энергетически невыгодно.
Следует отметить, что необходимость изготовления контура с низким эквивалентным сопротивлением Лое не рассматривается как преимущество параллельного включения ламп, так как их вы ходные емкости, входящие в состав емкости контура Ск, складыва ются и этим резко уменьшают характеристическое сопротивление контура. В предельном случае, когда емкость контура образуется только за счет междуэлектродных емкостей СВых, характеристиче ское сопротивление контура
___1___1
Рк ' соСк ' <оЛСт
уменьшается ровно в N раз по сравнению с контуром на одной лам пе и упомянутое выше преимущество полностью исчезает.
Рассмотрим ГВВ с параллельным включением транзисторов. По сравнению с лампами транзисторы, в первую очередь биполяр
ные, обладают значительно большим разбросом параметров’ По этому при параллельном включении либо подбирают транзисторы по параметрам, либо применяют схемные решения, которые обес печивают лучшую симметрию их работы [5].
Принципиально транзисторный ГВВ с параллельным включе нием двух транзисторов может быть выполнен по схеме рис. 2.1 с заменой ламп на транзисторы и учетом особенностей цепей питания и нагрузки. Однако часто, чтобы облегчить симметрирование схе мы, ГВВ с параллельным включением биполярных транзисторов строят с разделением ХС-элементов во входных и выходных цепях. Подобная схема с параллельным включением двух биполярных транзисторов УТ\, УТг с общим эмиттером показана на рис. 2.3.
Разделение ХС-элементов во входных Ь\, Ь " и выходных С2', С{\ Ь{, Ь{' цепях позволяет [5]: во-первых, легче добиться симмет рии монтажа схемы; во-вторых, подстраивать коллекторную цепь каждого из транзисторов (скомпенсировать разброс коллекторных емкостей) и выравнять режимы их работы, отдельно контролируя постоянные составляющие токов коллекторов Хот, Хога; в-треть их, раздельные элементы легче реализовать: емкости меньше, ин дуктивности больше по величине.
Современный мощный генераторный транзистор представляет парал лельное включение внутри корпуса до 100... 1000 и более элементарных транзи сторов [5].
В представленной схеме (рис. 2.3) возбуждение транзисторов осуществляется током [2]: входы транзисторов включены последо вательно с индуктивностями Ь \, 1>\”, сопротивления которых воз растают с номером гармоники. Резисторы Кд служат для выравни вания постоянных времени эмиттерных переходов транзисторов в открытом и закрытом состояниях [2,9,12].
Для коллекторных цепей ГВВ с параллельным включением двух транзисторов справедливы все соотношения (2.1). ..(2.10).
Расчет режима ГВВ с параллельным включением транзисторов также проводят для одного транзистора на мощность Р~\ = Р^N, где
Р~ - требуемая мощность ГВВ; N - число параллельно включаемых транзисторов.
Предполагая полную симметрию схемы, определяют токи в уз лах соединения цепей и результирующие мощности в цепях соот ветствующих электродов, которые будут в N раз больше найденных из расчета режима для одного транзистора. Напряжения на электро дах и элементах цепей остаются, как для одного транзистора.
При расчете цепи согласования (ЦС) с полезной нагрузкой ге нератора КИв схеме рис. 2.3 следует исходить из схемы ЦС для ка ждого транзистора, представленной на рис. 2.4, где Л0е1требуемое сопротивление нагрузки в коллекторной цепи одного транзистора (находится при расчете режима). Сопротивления емкостей С3, Ссв и нагрузки Кп в схеме (рис. 2.4) удваиваются за счет совместной ра боты двух транзисторов (в общем случае сопротивления этих эле ментов увеличиваются в N раз).
Ссв/2
Рис. 2.4
ГВВ с параллельным включением биполярных транзисторов, помимо специфических недостатков, обусловленных большим раз бросом параметров транзисторов и положительным температурным коэффициентом для токов (с ростом температуры токи возрастают), присущи и все те недостатки, которые отмечены выше при рас смотрении параллельного включения ламп. По этим причинам па
раллельное включение биполярных транзисторов используется срав нительно редко и не более двух-трех [5]. Значительно лучше обсто ит дело с полевыми транзисторами: благодаря отрицательному тем пературному коэффициенту для токов становятся менее опасны разброс параметров этих транзисторов и несимметрия в схеме [5].
В заключение отметим, что параллельное включение АЭ воз можно при реализации ГВВ по разным схемам: с общим катодом,
собщей сеткой, с общим анодом, с общим эмиттером, с общей ба зой, с общим коллектором, с общим истоком, с общим затвором,
собщим стоком. При этом проявляются свойства соответствующей схемы и параллельного включения АЭ.
Параллельно включенные АЭ можно рассматривать как один эквивалентный АЭ, у которого при строгой синфазности режимов работы параллельно включенных АЭ результирующий выходной ток и его крутизна равны алгебраической сумме соответствующих параметров отдельных АЭ. При отсутствии синфазности режимов параллельно включенных АЭ эквивалентный АЭ можно характери зовать комплексными параметрами, что не очень удобно.
2.2.ДВУХТАКТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
2.2.1.СХЕМЫ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ
СДВУХТАКТНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Двухтактное включение АЭ (ламп, транзисторов), как и парал лельное включение их, используют для увеличения мощности ГВВ: результирующая мощность в нагрузке генератора равна сумме мощностей, отдаваемых каждым АЭ. Однако переход к двухтакт ному включению АЭ обычно связан не столько с повышением уровня мощности генератора, сколько с улучшением ряда других характеристик [5]. Во-первых, при двухтактном включении при тех же режимах работы АЭ удается существенно снизить уровень выс ших гармоник в нагрузке генератора. Во-вторых, в ряде схем двух тактного включения АЭ удается ослабить требования к блокиро вочным элементам. В-третьих, за счет поочередности работы АЭ при двухтактном включении удается выравнять (линеаризовать) входное сопротивление генератора, являющееся нагрузкой для ис точника сигнала возбуждения (например, для предыдущего каска да). В-четвертых, генератор с двухтактным включением АЭ удобен при симметричной нагрузке, например, при использовании двух проводного фидера, так как позволяет обойтись без симметрирую
щего устройства’, обеспечивающего переход от симметричной на грузки к несимметричной схеме ГВВ, реализуемой на одном АЭ либо путем параллельного включения нескольких АЭ. Отсутствие симметрирующего устройства существенно упрощает схему связи генератора с нагрузкой.
На рис. 2.5 показана схема ГВВ с двухтактным включением ламп У\, Г2 с общим катодом. Нагрузкой ламп является параллель ный колебательный контур, образованный двумя емкостями Ск и индуктивностью Ьк. Очевидно, результирующая емкость контура равна Ск/2.
*
Частично вопрос о симметрирующих устройствах затрагивался нами в [3, ки. 2]. В п. 1.2.2 настоящей работы рассмотрены симметрирующие устройства на основе ТЛ. Симметрирующие устройства, в том числе и родственные ТЛ, рас сматриваются также в п. 3.3 настоящей работы.
Для удобства подбора режима работы ламп с целью симметри рования схемы напряжения смещения Ес могут подаваться раздель но. Цепь смещения строится, как в любом ГВВ. Питание анодов осуществляется от одного источника Еа. При использовании тетро дов или пентодов схема (рис. 2.5) должна быть дополнена цепями питания соответствующих сеток. Питание накалов осуществляется по обычным схемам.
Назначение элементов в схеме (рис. 2.5) понятно из их обозна чений и такое же, как в схеме любого ГВВ. Особенности выбора отдельных элементов мы обсудим ниже, а сейчас отметим только принципиальные отличия схемы с двухтактным включением ламп от ранее рассмотренных схем на одной лампе или с параллельным включением нескольких ламп. Обратим сразу внимание, что отме ченные ниже особенности двухтактного включения ламп имеют место при любой схеме их включения: с общим катодом, с общей сеткой, с общим анодом с сохранением всех присущих этим схемам особенностей.
При двухтактном включении ламп напряжения возбуждения на сетки относительно катодов подаются в противофазе. Таким обра зом, используются оба такта-полупериода сигнала возбуждения. Отсюда и обычно используемые названия схемы с двухтактным включением АЭ: генератор по двухтактной схеме, двухтактный ге нератор. Обеспечение возбуждения двухтактных генераторов под робно будет рассмотрено в п. 2.2.3, хотя некоторые вопросы возбуждения двухтактных генераторов на транзисторах будут за тронуты в этом параграфе и в п. 2.2.2.
Обозначим сигнал возбуждения, подаваемый на лампу У\, как было принято во всех ранее рассматриваемых схемах ГВВ,
~ |
соз со/. |
(2.11а) |
Тогда сигнал возбуждения, подаваемый на лампу Гг, следует счи тать равным
щп = |
соз (ю/ ±%) =-1}шп соз ш/. |
(2.116) |
Для нормальной работы схемы, как увидим, должно быть:
~ У м е = ^МС
Противофазное возбуждение ламп приводит к тому, что анод ные токи ламп при разложении на составляющие, описываются вы ражениями:
= /а о и + к \ и С05 СО/ + / а2/1 с о з 2 © / + /а з К1 с о $ 3 © / +
+ /а4,_ СОЗ 4©I +
и |
(2.12) |
к п = / * ) „ - к \у 2 СОЗ © / + / а2^ СОЗ 2 © / - |
/а з ^ СОЗ 3 © / + |
+ 4 ,и соз 4© /-..., |
|
согласно которым при противофазном возбуждении ламп нечетные гармонические составляющие анодных токов находятся в противо фазе, а четные - в фазе.
На рис. 2.6 для наглядности представлены временные диаграм мы напряжений возбуждения (2.11), импульсов анодных токов ц /(,
1Луг(2.12) и их первых и вторых гармоник.
Обратим внимание, что изображенные на рис. 2.6 импульсы анодных токов имеют нижний угол отсечки 45°< 0 < 90°. Принци пиально нижний угол отсечки анодных токов ламп может быть лю бым в пределах 0< 0 < 180° и выбираться из тех же соображений, что и в ГВВ на одной лампе [1]. Некоторые особенности выбора нижнего угла отсечки при двухтактном включении АЭ обсудим ниже. Режим работы ламп может быть любой: критический, пере напряженный, недонапряженный.
Ток каждой лампы, протекающий в пространстве анод-катод, на выходе лампы у катода разделяется на постоянную составляю щую /.о /а0у2 соответственно, протекающую через источник пита-
НИЯ Еа, блокировочный Дроссель Хбл.а и индуктивность контура на-
00 |
00 |
|
грузки 1К, и переменные составляющие ^11 тП , |
] |
Г2 >проте- |
кающие через контур нагрузки Ск, Ск, Ьк в противоположных направлениях.
При полной симметрии схемы амплитуды высокочастотных составляющих токов (2.12) равны, причем токи нечетных гармоник
складываются в контуре нагрузки Ск, Ск, Ьк, так как они, будучи в противофазе, протекают в противоположных направлениях, а токи четных гармоник вычитаются в контуре, поскольку, находясь в фа зе, также протекают в противоположных направлениях.
На схеме рис. 2.5 выделен общий провод, соединяющий катоды ламп со средней точкой емкостной ветви Ск, Ск контура нагрузки и соответственно заземляющий среднюю точку контура. Через общий провод протекают в одном направлении гармонические составляю щие анодных токов обеих ламп, следовательно, общий провод не обходим для обеспечения нормальной работы двухтактного гене ратора. В общем проводе четные гармоники анодных токов склады ваются, так как они находятся в фазе и протекают в одном направ лении. Токи нечетных гармоник, напротив, вычитаются, поскольку они находятся в противофазе. Если токи ламп не равны, то в общем проводе будут обнаруживаться токи всех гармоник.
Очевидно, общий провод должен выполняться таким образом, чтобы сопротивление его для тока любой гармоники было близко к нулю. В противном случае на общем проводе появится высоко частотное напряжение (при полной симметрии схемы только от чет ных гармоник токов), которое будет нарушать нормальный режим работы ламп, так как между анодом и катодом лампы будет дейст вовать не только напряжение выделяемой гармоники, но и других. Целесообразно заземлять середину емкостной ветви контура, что улучшает фильтрацию высших гармоник анодного тока (емкостная связь АЭ с контуром) [3, кн. 1]. Можно заземлять по высокой час
тоте среднюю точку индуктивности контура Ьк, что конструктивно выполнить сложнее из-за невозможности присоединиться точно к середине индуктивности Ьк. Средняя точка у емкостной ветви контура, напротив, легко реализуется путем последовательного включения двух идентичных конденсаторов емкостью Ск. Одно временное заземление середин емкостной и индуктивной ветвей контура нагрузки Ск, Ск, Ьк недопустимо в схеме двухтактного ге