Параллельная схема включения активных приборов

В параллельной схеме включении активных приборов их одноименные электроды соединяются между собой. Как правило, параллельно включают не более двух – трех активных приборов. Схема генератора на двух параллельно включенных генераторных лампах изображена на рис.9.1.

Рис.9.1.

Через колебательный контур, который является нагрузкой генератора, протекает суммарный ток двух ламп. Если резонансное сопротивление контура равно R, то амплитуда переменного напряжения U_a на нем равна:

)R, (9.1)

где – ток первой гармоники первой лампы,

– ток первой гармоники второй лампы.

Сопротивление нагрузки для каждой из ламп отличается от реальной нагрузки генератора R и зависит от соотношения токов в лампах. Это виртуальное сопротивление носит название «кажущегося». « Кажущееся» сопротивление нагрузки для каждой из ламп в общем случае различается по величине и имеет комплексный характер. Это объясняется несовпадением фаз токов в лампах, различной крутизной их проходной характеристики, неодинаковым напряжением отсечки анодного тока. «Кажущиеся» сопротивления нагрузки для ламп рис. 9.1 соответственно равны:

Рис. 9.2

При идеальной симметрии схемы (это достаточно жесткое требование к ее конструктивному осуществлению)

= Z^¢_КАЖ = Z^¢¢_КАЖ = R_а = 2R;

Р_н =2Р_{1 ном}.

Р_1ном – это справочная величина мощности каждой из ламп, а Р_н – колебательная мощность в нагрузке генератора.

Мощность в нагрузке равна удвоенной мощности одной лампы. На практике мощность в нагрузке получается меньше из-за фазовой и амплитудной асимметрии генератора. Векторная диаграмма (рис.9.2) поясняет сказанное выше.

Во-первых, суммарный ток нагрузки получается меньше удвоенного тока одной из ламп. Во-вторых, контур в анодной цепи настраивается в резонанс c суммарным током первой гармоники и напряжение U_а по фазе совпадает с этим током. Фаза напряжения U_a отличается от фазы токов и . Мощность, отдаваемая в нагрузку первой лампой, в этом случае определяется так:

Р₁ = 0,5 U_a сosφ; (9.2)

В соотношении (9.2) φ – разница фаз напряжения U_a и тока первой гармоники той лампы, для которой определяется отдаваемая мощность.

Подбор генераторных ламп с близкими параметрами не представляет большой проблемы, поэтому усилители мощности с параллельным включением ламп используются довольно часто.

Транзисторы всегда имеют большой разброс параметров, поэтому кроме подбора транзисторов необходимы специальные схемные решения, позволяющие подобрать симметричные режимы транзисторов [1,2].

Рис. 9.3

Двухтактная схема включения АЭ

Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности приведена на рис.9.3. С вторичной обмотки трансформатора в базовую цепь транзисторов подаются возбуждающие напряжения равные по амплитуде, но сдвинутые по фазе одно относительно другого на 180^о. При таком возбуждении генераторов коллекторные токи транзисторов и имеют противоположную фазу. Не трудно показать, что фазовые соотношения для гармоник коллекторного тока получаются следующими:

– нечетные гармоники коллекторных токов ( и и другие) противофазны;

– четные – синфазны;

– при симметрии схемы ( = ) в общем проводе, соединяющем контур с корпусом прибора, нечетные гармоники не протекают;

по катушкам коллекторного контура четные гармоники коллекторных токов протекают в противоположных направлениях;

– в общем проводе схемы четные гармоники суммируются.

С эмиттерами транзисторов должна соединяться средняя точка емкостной ветви контура, чтобы уменьшить сопротивление для высших гармоник коллекторных токов и сохранить формы коллекторных напряжений ближе к гармоническим.

Средняя точка индуктивной ветви контура должна соединяться с источником питания через блокирующую индуктивность L_б, задача которой – устранить влияние источника питания на работу генератора.

Рис. 9.4

Величина этой индуктивности не критична, так как амплитуда высокочастотного напряжения на центральных витках катушки колебательного контура относительно невелика. При ее отсутствии в индуктивной ветви контура в точке подключения источника питания искусственно создается нулевой высокочастотный потенциал, что может привести к асимметрии схемы.

Конструктивное исполнение двухтактной схемы сложнее, чем схемы с параллельным соединением активных приборов. Тем не менее, этот вариант схемы сложения мощностей широко используется. В чем состоят достоинства двухтактного включения генераторных приборов?

Предположим, что углы отсечки коллекторных токов транзисторов равны 90°. В этом случае все нечетные гармоники коллекторных токов, начиная с третьих, равны нулю. Четные гармоники большей частью протекают через емкости С_к. Меньшая часть четных гармоник протекает через индуктивности коллекторного контура.

На схеме рис. 9.3 изображена трансформаторная связь генератора с нагрузкой. Индуктивность контура с коэффициентом взаимной индукции М связана со вторичной обмоткой трансформатора, к которой подключена нагрузка генератора R_H. ЭДС, наводимая в нагрузке второй гармоникой генераторов, равна:

где коэффициент а определяет долю тока второй гармоники, протекающей по индуктивной ветви контура.

При симметрии схемы и , то есть напряжения четных гармоник на нагрузке противофазны и компенсируют друг друга. Таким образом, двухтактная схема, активные приборы которой работают с отсечкой, с точки зрения высших гармоник «выглядит» как усилитель класса А. Теоретически в нагрузке протекает только ток первой гармоники. При этом сохраняется высокий КПД, присущий режиму с отсечкой.

Рассмотрим режим работы каждого из транзисторов. Амплитуды переменного напряжения на коллекторах транзисторов U_K^' и U_K’’ определяются так:

где R_К – сопротивление контура с учетом частичного подключении его к коллекторной цепи транзисторов, р – коэффициент подключения первого и второго транзисторов к контуру (р = 0,5).

Парциальные напряжения на коллекторах суммируются

«Кажущееся» сопротивление нагрузки для верхнего транзистора (рис. 9.3) определим по формуле

При фазовой и амплитудной симметрии схемы , то есть сопротивление, которое ощущает каждый транзистор, в два раза больше, чем сопротивление контура при коэффициенте подключения р = 0,5.

К достоинствам двухтактной схемы в сравнении со схемой параллельного включения активных приборов к общей нагрузке следует отнести:

– в симметричной двухтактной схеме снижается уровень высших гармоник в нагрузке,

– при θ = 90^о можно получить на нерезонансной нагрузке напряжение близкое по форме к гармоническому, что используется в широкополосных усилителях,

– практически в два раза увеличивается входное сопротивление каскада.