лекции по УГФС (13-18) / Лекция 15

Лекция 15

Необходимость сложения мощностей АЭ. Параллельное и двухтактное включения АЭ. Свойства ГВВ с параллельным и двухтактным включением АЭ, энергетические соотношения в них. Особенности схем с параллельным и двухтактным включением транзисторов.

Довольно часто требуемая мощность ГВВ не может быть получена от одного генераторного прибора – активного элемента (АЭ): лампы или транзистора. Надо либо разрабатывать новый АЭ с нужной мощностью, либо искать другие способы решения задачи. Разработка нового прибора и производство его занимают много времени и дорого обходятся. Кроме того, потребность в мощных приборах может быть весьма ограниченной. Последнее особенно относится к генераторным лампам. Да и не всегда удаётся разработать прибор на нужную мощность, что относится как к лампам, так и к транзисторам. Поэтому специалистам приходится искать схемные решения получения больших мощностей. Чтобы получить нужную мощность, используют совместную работу нескольких АЭ на общую нагрузку. Наиболее простыми способами реализации совместной работы АЭ являются их параллельное и двухтактное включения. При выполнении определённых условий результирующая мощность в нагрузке равна сумме мощностей, создаваемых в выходной цепи каждым АЭ.

Параллельное включение активных элементов

На рис.15.1 представлена схема ГВВ с параллельным включением двух ламп V1 и V2 с общим катодом.

П ри параллельном включении ламп одноимённые электроды соединяются вместе по высокой частоте; по постоянным напряжениям питания одноимённые электроды, кроме анодов, как правило, разделяются. Это делается для того, чтобы можно было производить индивидуальную регулировку режима каждой лампы, так как параметры ламп практически не бывают одинаковыми.

В представленной схеме использовано параллельное питание анода, но может быть использовано и последовательное питание. Для рассмотрения особенностей параллельного включения АЭ способ питания анодов ламп не является принципиальным. Выбор питания анода определяется теми же соображениями, что и при построении ГВВ на одной лампе¹.

Назначение разделительных С_Р и блокировочных С_БЛ, L_БЛ элементов в цепях точно такое же, как в ГВВ на одной лампе. Нагрузкой ламп в анодной цепи служит контур С_К, L_К. В представленной схеме использованы триоды. В схемах на тетродах и пентодах будут добавлены цепи питания вторых (экранных) сеток, которые реализуются, как и в генераторе на одной лампе². Однако, напомним, что большинство мощных генераторных ламп, в том числе и самые мощные лампы, а также лампы СВЧ – это триоды. На схеме показаны лампы с прямонакальным однофазным катодом. Питание накалов ламп осуществляется от трёхфазной сети, что позволяет ослабить пульсацию результирующего выходного тока (паразитную амплитудную модуляцию) за счёт магнетронного эффекта (см. лекцию 13). Для устранения на выходе пульсаций анодного тока за счёт магнетронного эффекта для питания накалов ламп используются два трансформатора Тр₁, Тр₂, первичные обмотки которых включены звездой. Напряжение накала лампы V1 U_{Н V1} пропорционально линейному напряжению между фазами А, В, а напряжение накала лампы V2 U_{Н V2} пропорционально напряжению фазы С. При таком способе питания напряжения накалов оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 90°. На рис.15.2 представлены векторные диаграммы напряжений в цепях питания накалов ламп.

Коэффициент трансформации по напряжению трансформатора Тр₂ n_Тр2 должен быть в раз больше, чем у трансформатора Тр₁.

Питание накалов ламп со сдвигом по фазе 90° обусловливает изменение магнитных полей в лампах со сдвигом на 1/4 периода частоты питания накалов. В итоге пульсации анодных токов за счёт магнетронного эффекта оказываются сдвинутыми на 1/2 периода частоты питания накалов, что составляет 180°, то есть пульсации находятся в противофазе. Если величины этих пульсаций одинаковы, то на выходе, складываясь, они компенсируют друг друга.

При возбуждении ламп гармоническим сигналом анодный ток каждой лампы может быть представлен в виде совокупности гармонических составляющих, как в ГВВ на одной лампе:

(15.1)

где I_{A0 V1}, I_{A0 V2} - постоянные составляющие анодных токов ламп V1 и V2 соответственно; I_{A1 V1}, I_{A1 V2}, I_{A2 V1}, I_{A2 V2}, … - амплитуды первой, второй и так далее гармонических составляющих анодных токов ламп V1 и V2 соответственно.

Пути протекания анодных токов каждой лампы такие же, как в ГВВ на одной лампе.

Постоянные составляющие анодных токов ламп I_{A0 V1}, I_{A0 V2} протекают через источник анодного питания Е_А, блокировочный дроссель L_{БЛ А}, участок анод-катод соответствующей лампы. Первые и высшие гармонические составляющие анодных токов ламп протекают через нагрузку – контур С_К, L_К и участок анод-катод соответствующей лампы.

Контур нагрузки С_К, L_К считаем настроенным на выделяемую гармоническую составляющую анодных токов ламп, в частности, первую, для которой он представляет чисто активное сопротивление, равное эквивалентному сопротивлению контура на резонансной частоте R_oe.

Для общности результатов и более полного рассмотрения вопроса примем, что анодные токи ламп различаются как по величине, так и имеют некоторый фазовый сдвиг. Причиной последнего, если не учитывать инерционные явления в лампах, является несинфазность подаваемых сигналов возбуждения на сетки ламп из-за различия внешних и внутренних реактивностей в цепях возбуждения, в том числе и длин соединительных проводов.

При наличии фазового сдвига φ в сигналах возбуждения ламп выражения (15.1) могут быть записаны в виде:

Если ввести в рассмотрение комплексные амплитуды, то для комплексных амплитуд токов первых гармоник можно записать:

где k – коэффициент пропорциональности амплитуд первых гармоник анодных токов ламп; = ke ^jφ – коэффициент пропорциональности комплексных амплитуд первых гармоник анодных токов ламп³.

Комплексная амплитуда колебательного напряжения на контуре, она же амплитуда переменного напряжения между анодом и катодом каждой лампы,

(15.2)

Сопротивление нагрузки, ощущаемое каждой лампой относительно точек анод-катод (кажущееся сопротивление нагрузки):

(15.3)

Как видим, ощущаемые сопротивления (15.3) зависят не только от эквивалентного сопротивления контура нагрузки R_oe, но и от амплитудных и фазовых соотношений токов в анодных цепях ламп.

Если одна из ламп не работает (k = 0 или k = ∞), то ощущаемое сопротивление нагрузки другой лампы оказывается чисто активным и равным эквивалентному сопротивлению контура R_oe. Если работают обе лампы, то ощущаемое каждой лампой сопротивление отличается от R_oe и может быть как активным, так и комплексным. Работа лампы на комплексную нагрузку для генератора является энергетически невыгодной⁴. Обратим внимание, что при параллельном включении ламп даже при настроенном контуре ощущаемые лампами сопротивления могут оказаться комплексными.

Если фазовый сдвиг сигналов возбуждения φ = 0, то каждая лампа ощущает чисто активное сопротивление нагрузки:

(15.4)

При полной идентичности анодных токов ламп (φ = 0, k = 1) ощущаемые лампами сопротивления оказываются активными и равными по величине:

В этом случае лампы отдают одинаковую мощность, а результирующая мощность в нагрузке – контуре возрастает в два раза (в общем случае в N раз, где N - число параллельно включаемых ламп).

Действительно, мощность в нагрузке можно определить как

,

где U_MA = U_MK - амплитуда колебательного напряжения на анодах ламп, равная амплитуде колебательного напряжения на контуре.

При полной идентичности анодных токов ламп согласно (15.2) U_MA = 2R_oeI_{A1 V1}. Соответственно, . Колебательная мощность, отдаваемая одной лампой, , что составляет половину мощности в нагрузке.

Если φ = 0, но k ≠ 1, то ощущаемые лампами сопротивления оказываются активными, но разной величины (15.4), вследствие чего лампы будут отдавать в нагрузку – контур разные мощности.

Очевидно, при параллельной работе ламп наилучшим является режим полной идентичности выходных токов: , то есть φ = 0, k = 1. В этом случае лампы находятся в одинаковом по напряжённости 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 блокировочных элементов. При отсутствии симметрии схемы появляется различие в амплитудах и фазах анодных токов ламп, что приводит к уменьшению колебательной мощности ГВВ и снижению его КПД по сравнению с режимом полной симметрии.

Из других недостатков параллельного включения ламп обычно отмечаются следующие:

1. Увеличивается вероятность возникновения в генераторе паразитных (нежелательных) колебаний. Поэтому необходимо делать монтаж короткими, с большим поперечным сечением проводниками, индуктивное сопротивление которых мало.

2. Наличие больших входной, проходной и выходной ёмкостей (межэлектродные ёмкости параллельно включенных ламп складываются) затрудняет реализацию индуктивности контура нагрузки L_К с повышением рабочей частоты генератора:

,

где С_K - ёмкость контура с учётом соответствующих ёмкостей ламп; - круговая частота рабочих колебаний генератора. Чем больше ёмкость контура, тем меньше требуемая индуктивность, которую сложнее реализовать с обеспечением высокой добротности.

3. Увеличивается вероятность возникновения неисправностей, поскольку число ламп и других элементов возрастает.

В отношении последнего недостатка следует отметить, что на определённых этапах развития техники радиопередающих устройств параллельное включение ламп рассматривалось как способ повышения надёжности работы устройства в целом. Дело в том, что самым ненадёжным элементом является АЭ – лампа, причем, чем мощнее лампа, тем меньше у неё надёжность, меньше срок службы. Включение параллельно нескольких менее мощных, но соответственно более надёжных 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 двумя-тремя лампами. При включении параллельно трёх ламп с однофазным прямонакальным катодом для уменьшения результирующей паразитной амплитудной модуляции за счёт магнетронного эффекта питание накалов ламп осуществляется пофазно от трёхфазной сети.

Расчёт режима ГВВ с параллельным включением ламп начинают с одной лампы на мощность , где P_~ - требуемая мощность в нагрузке – контуре ГВВ; N - число параллельно включаемых ламп.

Расчёт проводится по обычной методике (см., например, лекцию 7) для выбранного режима: критического, недонапряжённого, перенапряжённого. В результате расчёта находятся напряжения, токи, а также требуемое сопротивление нагрузки для одной лампы R_oe1. Затем, предполагая полную симметрию схемы, определяют результирующие токи и мощности в соответствующих цепях, которые будут в N раз больше найденных из расчёта для одной лампы. Напряжения на электродах такие же, как для одной лампы. Что касается эквивалентного сопротивления контура нагрузки R_oe, то, поскольку при параллельном включении N ламп ощущаемое одной лампой сопротивление нагрузки возрастает в N раз, эквивалентное сопротивление контура должно быть: R_oe = R_oe1/N. Очевидно, что при выходе из строя хотя бы одной из N ламп оставшиеся перейдут в менее напряжённый режим работы, так как ощущаемое сопротивление нагрузки для каждой из оставшихся ламп уменьшится. Уменьшение напряжённости режима снижает КПД анодной цепи генератора.

Следует отметить, что необходимость изготовления контура с низким эквивалентным сопротивлением R_oe не рассматривается как преимущество параллельного включения ламп, так как их выходные ёмкости, входящие в состав ёмкости контура С_K, складываются и этим резко уменьшают характеристическое сопротивление контура. В предельном случае, когда ёмкость контура образуется только за счёт межэлектродных ёмкостей С_ВЫХ, характеристическое сопротивление контура

уменьшается ровно в N раз по сравнению с контуром на одной лампе и упомянутое выше преимущество полностью исчезает.

Рассмотрим ГВВ с параллельным включением транзисторов. По сравнению с лампами транзисторы, в первую очередь биполярные, обладают значительно большим разбросом параметров⁵. Поэтому при параллельном включении либо подбирают транзисторы по параметрам, либо применяют схемные решения, которые обеспечивают лучшую симметрию их работы.

Принципиально транзисторный ГВВ с параллельным включением двух транзисторов может быть выполнен по схеме рис.15.1 с заменой ламп на транзисторы и учётом особенностей цепей питания и нагрузки. Однако часто, чтобы облегчить симметрирование схемы, ГВВ с параллельным включением биполярных транзисторов строят с разделением LC-элементов во входных и выходных цепях. Подобная схема с параллельным включением двух биполярных транзисторов VT1, VT2 с общим эмиттером показана на рис.15.3.

Р азделение LC-элементов во входных L₁^/, L₁^// и выходных С₂^/, С₂^//, L₂^/, L₂^// цепях позволяет: во-первых, легче добиться симметрии монтажа схемы; во-вторых, подстраивать коллекторную цепь каждого из транзисторов (скомпенсировать разброс коллекторных ёмкостей) и выровнять режимы их работы, отдельно контролируя постоянные составляющие токов коллекторов I_{K0 VT1}, I_{K0 VT2}; в-третьих, раздельные элементы легче реализовать: ёмкости меньше, индуктивности больше по номиналу.

В представленной схеме (рис.15.3) возбуждение транзисторов осуществляется током: входы транзисторов включены последовательно с индуктивностями L₁^/, L₁^// , сопротивления которых возрастают с номером гармоники. Резисторы R_Д служат для выравнивания постоянных времени эмиттерных переходов транзисторов в открытом и закрытом состояниях⁶.

Для коллекторных цепей ГВВ с параллельным включением двух транзисторов справедливы все соотношения (15.1) – (15.4).

Расчёт режима ГВВ с параллельным включением транзисторов также проводят для одного транзистора на мощность , где P_~ - требуемая мощность ГВВ; N - число параллельно включаемых транзисторов.

Предполагая полную симметрию схемы, определяют токи в узлах соединения цепей и результирующие мощности в цепях соответствующих электродов, которые будут в N раз больше найденных из расчёта режима для одного транзистора. Напряжения на электродах и элементах цепей остаются, как для одного транзистора.

При расчёте цепи согласования (ЦС) с полезной нагрузкой генератора R_Н в схеме рис.15.3 следует исходить из схемы ЦС для каждого транзистора, представленной на рис.15.4, где R_oe1- требуемое сопротивление нагрузки в коллекторной цепи одного транзистора (находится при расчёте режима). Сопротивления ёмкостей С₃, С_СВ и нагрузки R_Н в схеме (рис.15.4) удваиваются за счёт совместной работы двух транзисторов (в общем случае сопротивления этих элементов увеличиваются в N раз).

ГВВ с параллельным включением биполярных транзисторов, помимо специфических недостатков, обусловленных большим разбросом параметров транзисторов и положительным температурным коэффициентом для токов (с ростом температуры токи возрастают), присущи и все те недостатки, которые отмечены при рассмотрении параллельного включения ламп. По этим причинам параллельное включение биполярных транзисторов используется сравнительно редко и не более двух-трёх. Значительно лучше обстоит дело с полевыми транзисторами: благодаря отрицательному температурному коэффициенту для токов становятся менее опасны разброс параметров этих транзисторов и несимметрия в схеме.

В заключение отметим, что параллельное включение АЭ возможно при реализации ГВВ по разным схемам: с общим катодом, с общей сеткой, с общим анодом, с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором, с общим истоком, с общим затвором, с общим 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 характеризовать комплексными параметрами, что не представляется удобным.

Двухтактное включение активных элементов (АЭ).

Схемы, принцип работы, особенности генераторов с двухтактным включением АЭ

Двухтактное включение АЭ (ламп, транзисторов), как и параллельное включение их, используют для увеличения мощности ГВВ: результирующая мощность в нагрузке генератора равна сумме мощностей, отдаваемых каждым АЭ. Однако переход к двухтактному включению АЭ обычно связан не столько с повышением уровня мощности генератора, сколько с улучшением ряда других характеристик. Во-первых, при двухтактном включении при тех же режимах работы АЭ удаётся существенно снизить уровень высших гармоник в нагрузке генератора. Во-вторых, в ряде схем двухтактного включения АЭ удаётся ослабить требования к блокировочным элементам. В-третьих, за счёт поочередности работы АЭ при двухтактном включении удаётся выровнять (линеаризовать) входное сопротивление генератора, являющееся нагрузкой для источника сигнала возбуждения (например, для предыдущего каскада). В-четвёртых, генератор с двухтактным включением АЭ удобен при симметричной нагрузке, например, при использовании двухпроводного фидера, так как позволяет обойтись без симметрирующего устройства⁷, обеспечивающего переход от симметричной нагрузки к несимметричной схеме ГВВ, реализуемой на одном АЭ либо путём параллельного включения нескольких АЭ. Отсутствие симметрирующего устройства существенно упрощает схему связи генератора с нагрузкой.

Н а рис.15.5 показана схема ГВВ с двухтактным включением двух ламп V1, V2 с общим катодом. Нагрузкой ламп является параллельный колебательный контур, образованный двумя ёмкостями С_К и индуктивностью L_K. Очевидно, результирующая ёмкость контура равна С_К /2.

Для удобства подбора режима работы ламп с целью симметрирования схемы напряжения смещения Е_С могут подаваться раздельно. Цепь смещения строится, как в любом ГВВ. Питание анодов осуществляется от одного источника Е_А. При использовании тетродов или пентодов схема (рис.15.5) должна быть дополнена цепями питания соответствующих сеток. Питание накалов осуществляется по обычным схемам. Для устранения паразитной амплитудной модуляции за счёт магнетронного эффекта питание накалов ламп с однофазным прямонакальным катодом может быть осуществлено, как при параллельном включении двух ламп (схема рис.15.1).

Назначение элементов в схеме (рис.15.5) понятно из их обозначений 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 отмечаемые 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 образом, используются оба такта-полупериода сигнала возбуждения. Отсюда и обычно используемые названия схемы с двухтактным включением АЭ: генератор по двухтактной схеме, двухтактный генератор.⁸ Схемное обеспечение возбуждения двухтактных генераторов было рассмотрено в лекции 13.

Обозначим сигнал возбуждения, подаваемый на лампу V1, как было принято во всех ранее рассмотренных схемах ГВВ,

. (15.5а)

Тогда сигнал возбуждения, подаваемый на лампу V2, следует считать равным

. (15.5б)

Для нормальной работы схемы, как увидим, должно быть

U_{MC V1} = U_{MC V2} = U_MC.

Противофазное возбуждение ламп приводит к тому, что анодные токи ламп при разложении на составляющие, описываются выражениями:

(15.6)

согласно которым при противофазном возбуждении ламп нечётные гармонические составляющие анодных токов находятся в противофазе, а чётные – в фазе.

Н а рис.15.6 для наглядности представлены временные диаграммы напряжений возбуждения (15.5), импульсов анодных токов i_{A V1}, i_{A V2} (15.6) и их первых и вторых гармоник.

Обратим внимание, что изображённые на рис.15.6 импульсы анодных токов имеют нижний угол отсечки 45° < θ < 90°. Принципиально нижний угол отсечки анодных токов ламп может быть любым в пределах 0 < θ < 180° и выбирается из тех же соображений, что и в ГВВ на одной лампе⁹. Режим работы ламп может быть любой: критический, перенапряжённый, недонапряжённый.

Ток каждой лампы, протекающий в пространстве анод-катод, на выходе лампы у катода разделяется на постоянную составляющую I_{A0 V1}, I_{A0 V2} соответственно, протекающую через источник питания Е_А, блокировочный дроссель L_{БЛ А} и индуктивность контура нагрузки L_K, и переменные составляющие , протекающие через контур нагрузки в противоположных направлениях.

При полной симметрии схемы амплитуды высокочастотных составляющих токов (15.6) равны, причём токи нечётных гармоник складываются в контуре нагрузки , так как они, будучи в противофазе, протекают в противоположных направлениях, а токи чётных гармоник вычитаются в контуре, поскольку, находясь в фазе, также протекают в противоположных направлениях.

На схеме рис.15.5 выделен общий провод, соединяющий катоды ламп со средней точкой ёмкостной ветви контура нагрузки и соответственно заземляющий среднюю точку контура. Через общий провод протекают в одном направлении гармонические составляющие анодных токов обеих ламп, следовательно, общий провод необходим для обеспечения нормальной работы двухтактного генератора. В общем проводе чётные гармоники анодных токов складываются, так как они находятся в фазе и протекают в одном направлении. Токи нечётных 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 высокочастотное напряжение (при полной симметрии схемы только от чётных гармоник токов), которое будет нарушать нормальный режим работы ламп, так как между анодом и катодом лампы будет действовать не только напряжение выделяемой гармоники, но и других. Целесообразно заземлять середину ёмкостной ветви контура, что улучшает фильтрацию высших гармоник анодного тока (ёмкостная связь АЭ с контуром)¹⁰. Можно заземлять по высокой частоте среднюю точку индуктивности контура L_K, что конструктивно выполнить сложнее из-за невозможности присоединиться точно к середине индуктивности L_K. Средняя точка у ёмкостной ветви контура, напротив, легко реализуется путём последовательного включения двух идентичных конденсаторов ёмкостью С_К. Одновременное заземление середин ёмкостной и индуктивной ветвей контура нагрузки недопустимо в схеме двухтактного генератора, так как средние точки для ёмкостной и индуктивной ветвей могут оказаться не точно средними, соответственно не эквипотенциальными. Соединение таких точек общим проводом обусловит асимметрию в работе ламп. Для того, чтобы при заземлении средней точки у ёмкостной ветви контура избежать заземления точки у индуктивной ветви контура через источник питания Е_А, напряжение анодного питания подводят через блокировочный дроссель L_{БЛ А}. Присоединить блокировочный дроссель L_{БЛ А} стараются как можно ближе к середине индуктивности L_K, то есть ближе к средней точке у индуктивной ветви контура. Как уже отмечалось, присоединиться абсолютно точно к середине индуктивности L_K невозможно, поэтому практически между точкой присоединения L_{БЛ А} и землёю оказывается высокочастотное напряжение, составляющее по величине 5…10 % от Е_А. Очевидно, такой же величины будет переменное напряжение на дросселе L_{БЛ А}. Так как напряжение на блокировочном дросселе L_{БЛ А} оказывается в 10…20 раз меньше, чем напряжение на блокировочном дросселе в анодной цепи при параллельном питании анода в однотактном генераторе на такой же лампе, то индуктивность блокировочного дросселя L_{БЛ А} в двухтактном генераторе может быть снижена в 10…20 раз по сравнению с требуемой для однотактного ГВВ. Ёмкость блокировочного конденсатора С_{БЛ А} в двухтактном генераторе оказывается такой же, как в однотактном ГВВ с параллельным питанием анода. Как видим, требования к блокировочным элементам в двухтактном ГВВ несколько слабее при соответствующем выполнении его, чем в однотактном генераторе.