лекции по УГФС (13-18) / Лекция 15

Завершая обсуждение вопроса об общем проводе и заземлении средней точки у контура нагрузки в двухтактном ГВВ, отметим, что общим проводом может служить корпус или общая шина генератора. Чем короче общий провод, тем лучше (меньше его индуктивность и соответственно меньше сопротивление для гармоник). В пределе провода как такового может не быть, а всё соединение сходится в узел. Если выходная ёмкость лампы составляет заметную часть от требуемой ёмкости С_К, то выполнять соединение средней точки у внешней части ёмкостной ветви контура нагрузки совсем необязательно. Средняя точка в этом случае образуется в точке заземления соединения катодов, где соединяются выходные ёмкости. Так как выходные ёмкости у ламп всегда имеются, то при двухтактном включении ламп указанная средняя точка у части ёмкостной ветви контура заземляется автоматически, и, следовательно, всегда присутствует, что также является одной из причин недопущения одновременного заземления средних точек у ёмкостной и индуктивной ветвей контура и поэтому предпочтение отдаётся заземлению средней точки у ёмкостной ветви контура (помимо лучшей фильтрации гармоник). Если выходные ёмкости ламп малы по сравнению с требуемой ёмкостью контура, то сопротивление их для высших гармоник анодных токов может оказаться весьма большим, и при отсутствии общего провода высшие гармоники будут протекать через блокировочный дроссель L_{БЛ А}, создавая на нём падение напряжения и изменяя этим режим работы ламп по сравнению с требуемым. Очевидно, при полной симметрии схемы на блокировочном дросселе будет только напряжение от чётных гармоник, нечётные гармоники компенсируются. На рис.15.7 представлены схемы выходных цепей двухтактного ГВВ для случаев, когда выходные ёмкости ламп С_{ВЫХ V1}, С_{ВЫХ V2} составляют заметную часть требуемой ёмкости контура (рис.15.7,а) либо в основном формируют необходимую ёмкость контура (рис.15.7,б).

На схемах (рис.15.7) показаны симметрирующие конденсаторы с ёмкостью С_СИМ для выравнивания выходных ёмкостей ламп и ёмкостей монтажа. При подборе ламп симметрирующие конденсаторы могут отсутствовать. Результирующая ёмкость контура в схемах (рис.15.7):

В общем случае к этой ёмкости надо добавить либо скомпенсировать с помощью имеющихся в схеме конденсаторов переменной ёмкости ёмкость, вносимую за счёт связи с нагрузкой конденсаторами С_{СВ Н}.

Рассмотрим требования к симметрии схемы и режимам работы ламп в двухтактном генераторе на примере схемы рис.15.5.

Примем, что контур нагрузки , включенный между анодами ламп, настроен на частоту первой гармоники анодного тока и абсолютно симметричен относительно каждой лампы. В этом случае по отношению к каждой лампе контур имеет коэффициент включения р = 1/2.

Для общности результатов введём в рассмотрение комплексные амплитуды первых гармоник анодных токов ламп, связь между которыми определим в виде

,

где - комплексный коэффициент, учитывающий различие амплитуд первых гармоник анодных токов ламп I_{A1 V1}, I_{A1 V2} (15.6) по величине и отклонение возбуждения ламп от противофазного (15.5) на угол φ, что обусловливает соответствующий сдвиг токов по фазе.

Знак « – » в соотношении комплексных амплитуд соответствует противофазному возбуждению ламп (15.5), когда φ = 0.

Комплексная амплитуда контурного тока¹¹, создаваемого лампой V1,

,

где Q_Н - нагруженная добротность контура С_К, С_К, L_K.

Комплексная амплитуда контурного тока, создаваемого лампой V2,

.

Так как составляющие контурного тока, создаваемые лампами V1, V2, растекаются в контуре в противоположных направлениях, то есть вычитаются, то комплексная амплитуда результирующего контурного тока

.

Контурный ток, протекая через ёмкости С_К, создаёт на них напряжения. Так как ёмкости С_К подключены параллельно участкам анод-катод соответствующей лампы, то переменные напряжения, действующие на анодах ламп относительно катодов, равны падениям напряжений на ёмкостях С_К , создаваемым контурным током.

Комплексные амплитуды переменных напряжений на анодах ламп относительно катодов¹²

(15.7)

Так как , где - характеристическое сопротивление контура, настроенного на частоту первой гармоники анодного тока , то

, (15.8)

где - эквивалентное сопротивление параллельного колебательного контура, включенного между анодами ламп двухтактного ГВВ.

Ощущаемые лампами сопротивления нагрузки (кажущиеся сопротивления нагрузки):

(15.9)

Соотношения (15.9) подобны соотношениям (15.3) для параллельного включения двух ламп и отличаются только коэффициентом 1/4. Следовательно, требования к симметричности режимов ламп при двухтактном включении будут такими же, как и при параллельном включении.

Таким образом, как и при параллельном включении, при двухтактном включении ламп ощущаемое лампой сопротивление зависит как от эквивалентного сопротивления контура R_oe, так и от амплитудных и фазовых соотношений между выделяемыми гармониками анодных токов ламп. Оптимальным будет режим, когда токи одинаковы по величине (k = 1) и лампы возбуждаются строго в противофазе (φ = 0). В этом случае , а .

Если одна из ламп не работает (k = 0 или k = ∞), то другая лампа ощущает чисто активное сопротивление, равное (1/4)R_oe, что соответствует эквивалентному сопротивлению контура относительно точек подключения с коэффициентом р = 1/2.

При полной симметрии схемы амплитуда колебательного напряжения на каждой лампе согласно (15.8)

,

а колебательная мощность, отдаваемая одной лампой,

.

Результирующая мощность в контуре

. (15.10)

С другой стороны, комплексная амплитуда колебательного напряжения на контуре , равная комплексной амплитуде напряжения между анодами ламп, может быть определена как падение напряжения, создаваемое контурным током на характеристическом сопротивлении контура, то есть

.

Как видим, комплексная амплитуда напряжения на контуре равна удвоенной комплексной амплитуде напряжения между анодом и катодом одной лампы.

При полной симметрии схемы амплитуда напряжения на контуре , соответственно колебательная мощность, выделяемая в контуре (на контуре)

,

что совпадает с (15.10).

На основании приведенных выше соотношений можно заключить, что по энергетическим показателям и требованиям к симметрии схемы двухтактное включение ламп подобно параллельному включению. При полной симметрии схемы двухтактного генератора и идентичности режимов ламп колебательная мощность в нагрузке удваивается.

Рассматриваемый ГВВ с двухтактным включением ламп, в отличие от однотактного генератора на одной или нескольких параллельно включенных лампах, является не только схемно, но и электрически симметричным устройством, так как на выходе генератора между анодами ламп действуют переменные напряжения одинаковой величины, но находящиеся в противофазе относительно друг друга: контурный ток протекает в противоположных направлениях относительно средней точки ёмкостной ветви контура, создавая противофазные напряжения на ёмкостях С_К (рис.15.8), что отражено в записи (15.7). Поэтому двухтактный генератор по схеме (рис.15.5) удобен для подключения симметричной нагрузки. В частности, к контуру двухтактного генератора непосредственно может быть подключена симметричная двухпроводная линия (двухпроводный фидер).

При полной симметрии схемы рис.15.5 на контуре С_К, С_К, L_K между анодами ламп не будет напряжения от чётных гармоник анодных токов: второй, четвёртой и т.д. В то же время между анодом и катодом каждой лампы напряжения чётных гармоник в рассматриваемой схеме, даже в случае её полной симметрии, будут. Эти напряжения образуются токами чётных гармоник, протекающими через ёмкости С_К. Так как токи чётных гармоник находятся в фазе, то создаваемые ими падения напряжений на ёмкостях С_К также оказываются в фазе. Токи высших нечётных гармоник: третьей, пятой и т.д. также создают падения напряжений на ёмкостях С_К. Но, так как эти гармоники, как и первые, находятся в противофазе, то создаваемые ими напряжения на анодах ламп также будут в противофазе и будут иметь место независимо от симметрии схемы. Соответственно напряжение нечётных гармоник всегда будет на контуре, то есть между анодами ламп. Следовательно, двухтактное включение ламп не обеспечивает каких-либо преимуществ в отношении фильтрации высших нечётных гармоник по сравнению с однотактной схемой¹³. Что касается чётных гармоник, то при полной симметрии схемы двухтактного включения ламп результирующее напряжение на нагрузке от чётных гармоник анодных токов равно нулю. Однако на концах нагрузки по отношению к земле (корпусу) при этом существуют синфазные напряжения, и если к контуру подключен открытый симметричный двухпроводный фидер, то в нём, как в системе двух связанных линий, возбуждаются синфазные (чётные) волны напряжения с частотами чётных гармоник, которые, распространяясь по проводам фидера, излучаются частично в окружающее пространство, создавая помехи работе других радиоустройств. Возможна реализация схемы двухтактного включения ламп, в которой исключается синфазное возбуждение проводов симметричного фидера. О такой схеме мы поговорим ниже.

Очевидно, если двухтактному ГВВ будет присуща некоторая асимметрия, то на нагрузке будут напряжения как нечётных, так и чётных гармоник анодных токов ламп.

Завершая рассмотрение схемы (рис.15.5) двухтактного включения ламп, отметим, что по сравнению со схемой однотактного ГВВ, включая параллельное включение ламп, в ней несколько ослаблены требования к блокировочному дросселю L_{БЛ А} в анодной цепи, а также она оказывается существенно проще при работе на симметричную нагрузку. Хотя и имеются особенности, о которых сказано выше, но в двухтактном генераторе на нагрузке уменьшено напряжение чётных гармоник (при полной симметрии схемы оно равно нулю) по сравнению с однотактным генератором, реализуемым на такой же лампе в таком же режиме её работы.

В схеме двухтактного включения ламп, что наглядно видно из схем рис.15.7, имеет место двухкратное уменьшение ёмкости, вносимой в контур нагрузки лампами, так как межэлектродные ёмкости ламп С_{ВЫХ V1}, С_{ВЫХ V2} включаются последовательно. Уменьшение ёмкости контура требует увеличения его индуктивности, облегчая конструктивную реализацию последней. В пределе необходимая индуктивность контура: , где С_{ВЫХ V} - выходная межэлектродная ёмкость лампы.

Наряду с отмеченными достоинствами двухтактный генератор обладает и существенными недостатками. Как и при параллельном включении ламп, увеличивается вероятность возникновения паразитных колебаний. Двухтактная схема требует подбора одинаковых элементов, симметричного монтажа; в ней почти удвоенное количество деталей, что приводит к уменьшению надёжности¹⁴. Схемы (рис.15.5 и рис.15.7) оказываются более сложными, чем однотактные, так как требуют согласованной перестройки LC-элементов. В своё время для двухтактных генераторов на лампах разрабатывались специальные конструкции конденсаторов и контуров.

При двухтактном включении вместо одиночных ламп V1, V2 (см. рис.15.5) могут быть включены по несколько ламп (по две-три) параллельно, что позволяет увеличить мощность в нагрузке в соответствующее число раз. В этом случае генератор будет проявлять в явном виде свойства как двухтактного, так и параллельного включения АЭ. Параллельно включенные лампы в двухтактном генераторе образуют так называемые плечи. Очевидно, лампы плеча, включенные параллельно, можно рассматривать как одну эквивалентную лампу с большими в соответствующее число раз анодным током, крутизной анодного тока и т.д. Для эквивалентных ламп будут применимы все приведенные выше соотношения. При включении в плечо двух ламп с однофазным прямонакальным катодом для устранения паразитных пульсаций результирующего тока в контуре нагрузки следует использовать питание накалов ламп в каждом плече, как в схеме (см. рис.15.1) с параллельным включением двух ламп. При трёх лампах в плече питание накалов следует осуществлять пофазно от трёхфазной сети. При включении четырёх ламп в плечо питание накалов можно осуществить попарно по схеме (см. рис.15.1).

Расчёт режима ГВВ по двухтактной схеме проводится по обычной методике для одной лампы на колебательную мощность P_~1 = P_~ /N, где P_~ - требуемая колебательная мощность в нагрузке-контуре; N - общее число ламп, всегда чётное.

В результате расчёта находятся напряжения, токи, а также требуемое сопротивление нагрузки для одной лампы R_oe1. Если в плече генератора включены N/2 ламп, то требуемое сопротивление нагрузки в плече (очевидно, это сопротивление равно требуемому сопротивлению нагрузки для эквивалентной лампы плеча) R_{oe ПЛ} = 2R_oe1/N. При параллельной работе N/2 ламп каждая лампа будет ощущать требуемое сопротивление R_oe1.

Так как при полной симметрии двухтактной схемы ощущаемые лампами сопротивления одинаковы и при двух лампах равны каждое (1/2)R_oe, где R_oe - сопротивление контура нагрузки, то, очевидно, рассматривая лампы плеча как одну эквивалентную лампу, должно быть R_oe = 2 R_{oe ПЛ} = 4R_oe1/N.

Если N = 2, то требуемое сопротивление контура нагрузки R_oe = 2R_oe1, то есть в два раза превышает требуемое сопротивление нагрузки для одной лампы.

После расчёта режима одной лампы результирующие токи и напряжения в цепях ГВВ находятся путём умножения на N/2 и удвоения соответствующих величин, исходя из представленных в лекции соотношений для параллельного и двухтактного включений АЭ¹⁵.

Мощные лампы всегда работают с сеточными токами. В однотактном ламповом ГВВ с общим катодом импульс сеточного тока появляется один раз за период T сигнала возбуждения на время

где - угол отсечки сеточного тока, вследствие чего активная составляющая входного сопротивления, нагружающая источник возбуждения, изменяется в бесконечное число раз в течение периода возбуждения. Источник сигнала возбуждения работает при этом на сугубо нелинейную нагрузку, что заставляет делать его существенно мощнее, чем требуется из энергетического расчёта входной цепи, чтобы уменьшить нелинейные искажения.

В двухтактном генераторе, в отличие от однотактного, импульсы сеточного тока появляются дважды за период T сигнала возбуждения (по импульсу от каждой лампы), что способствует выравниванию (линеаризации) нагрузки источника возбуждения, улучшая этим его характеристики. Время существования импульсов сеточного тока в двухтактном генераторе с общим катодом¹⁶

Необходимая мощность возбуждения двухтактного ГВВ при включении ламп с общим катодом: , где - мощность возбуждения одной лампы; I_C1- амплитуда первой гармоники сеточного тока одной лампы. При использовании N ламп P_ВОЗБ = NP_{ВОЗБ 1}.

Обратим внимание, что при выходе из строя одной из ламп в двухтактном генераторе остальные переходят в менее напряжённый режим, так как уменьшается ощущаемое каждой из оставшихся ламп сопротивление нагрузки. Уменьшение напряжённости режима снижает КПД по аноду.

Уменьшение вносимой в контур нагрузки лампами ёмкости в два раза не рассматривается как преимущество двухтактного включения по реализации контура нагрузки с большим ненагруженным сопротивлением R_oe0 и соответственно с возможностью получения большего КПД контура: .

Дело в том, что в двухтактном генераторе требуется контур с R_oe = 2R_oe1, то есть требуемое сопротивление контура оказывается в два раза больше, чем в однотактном генераторе на одной такой же лампе и в таком же режиме. Если принять при реализации однотактного генератора на одной лампе

то

В двухтактном генераторе на двух таких же лампах

а

где Q_Н – нагруженная добротность контура, определяемая необходимой полосой пропускания.

Как видим, необходимое соотношение между требуемыми сопротивлениями контуров в однотактном и двухтактном генераторах выполняется автоматически, и получить какие-либо преимущества в двухтактной схеме по обеспечению большего R_oe и КПД контура не удаётся.

В тех случаях, когда выходная ёмкость лампы пренебрежимо мала либо составляет небольшую часть от требуемой ёмкости контура С_К, что возможно только в относительно низкочастотных генераторах, проблем с реализацией параллельного колебательного контура с любым требуемым эквивалентным сопротивлением не существует. Следовательно, затронутый вопрос в этом случае неактуален.

В последние 25…30 лет в технике радиопередающих устройств наметился отказ в ряде случаев от двухтактной схемы лампового генератора в пользу однотактной. Объясняется это тем, что постепенно изменяются требования к радиопередатчикам. Одним из основных требований становятся требования максимальной надёжности и упрощения настройки и эксплуатации. В этих условиях отмеченные достоинства двухтактных генераторов становятся малосущественными при использовании мощных ламп, а недостатки выдвигаются на первый план. Заслуживают внимания также и следующие соображения. Двухтактная схема ГВВ ослабляет только чётные гармоники, поэтому при её применении на выходе радиопередатчика всё равно приходится ставить фильтр, препятствующий прохождению высших гармоник в фидер и антенну. Фильтр для двухтактной схемы в конструктивном отношении получается более сложным, чем для однотактной. На крупных автоматизированных радиоцентрах целесообразно применять несимметричные коаксиальные фидеры, которые легче защитить от несанкционированного доступа и которые обладают меньшими потерями, особенно на излучение. При использовании коаксиального фидера однотактная схема мощного ГВВ удобнее двухтактной.

В транзисторной технике, наоборот, двухтактное построение ГВВ в настоящее время широко используется на частотах от десятков килогерц до 1 ГГц, позволяя строить относительно мощные и довольно широкополосные (с шириной полосы несколько октав) устройства. Разрабатываются транзисторные сборки, специально предназначенные для использования в двухтактных генераторах.

Всё изложенное в настоящей лекции и касающееся принципа работы, особенностей, достоинств и недостатков ГВВ с двухтактным включением ламп, включая приведенные соотношения для них, распространяется и на ГВВ с двухтактным включением транзисторов. Как и в однотактных схемах, в двухтактных ГВВ широко используется включение биполярных транзисторов с общим эмиттером.

На частотах до 1…10 МГц при уровнях колебательной мощности в единицы-десятки ватт двухтактные генераторы на транзисторах выполняют с использованием трансформаторов обмоточного типа. Принципиальная схема такого генератора на биполярных транзисторах при включении с общим эмиттером представлена на рис.15.9.

Противофазное возбуждение транзисторов VT1, VT2 обеспечивается с помощью трансформатора Тр₁ со стороны вторичной обмотки, концы которой присоединены к базам транзисторов. Если среднюю точку вторичной обмотки Тр₁ соединить напрямую либо через блокировочный конденсатор ёмкостью С_{БЛ 1} с землёю (корпусом), то на входы транзисторов будут подаваться противофазные напряжения:

и можно считать, что транзисторы возбуждаются от источника напряжения. Если такого соединения нет, то ток, проходящий через вторичную обмотку Тр₁, является током, проходящим через входы (переходы база-эмиттер) транзисторов и следует считать, что транзисторы возбуждаются от источника тока. При возбуждении от любого источника к оллекторные токи транзисторов i_{K VT1}, i_{K VT2} описываются подобными (15.6) выражениями.

В отличие от двухтактного ГВВ на лампах с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура С_К, С_К, L_K (см. рис.15.5) применение в выходной цепи транзисторного двухтактного ГВВ трансформатора Тр₂ при полной симметрии схемы обеспечивает полное отсутствие (подавление) токов и напряжений чётных гармоник коллекторных токов на полезной нагрузке R_Н. Дело в том, что чётные гармоники коллекторных токов транзисторов, находясь в фазе в общем проводе, протекают по половинам первичной обмотки Тр₂ в противоположных направлениях, создавая в общем магнитопроводе трансформатора взаимно компенсирующиеся магнитные потоки. При равенстве токов чётных гармоник результирующий магнитный поток от них равен нулю и никакой трансформации (передачи) их во вторичную обмотку Тр₂ в сторону нагрузки R_Н не происходит. Индуктивность намагничивания Тр₂ по токам чётных гармоник оказывается равной нулю, и, следовательно, трансформатор Тр₂ для токов чётных гармоник представляет короткое замыкание. Полезная первая и высшие нечётные гармоники коллекторных токов транзисторов, как и чётные гармоники, протекают по половинам первичной обмотки Тр₂ в противоположных направлениях, но входят они в обмотку, будучи в противофазе. В итоге магнитные потоки, создаваемые первой и высшими нечётными гармониками коллекторных токов транзисторов, складываются в общем магнитопроводе и происходит их передача (трансформация) во вторичную обмотку Тр₂ в сторону полезной нагрузки R_Н. Для нечётных гармоник индуктивность намагничивания трансформатора Тр₂ не равна нулю. Если реализовать режим работы транзисторов VT1, VT2 с косинусоидальными импульсами коллекторных токов, имеющими нижний угол отсечки θ = 90°, то в составе коллекторных токов не будет высших нечётных гармоник (при θ = 90° коэффициенты разложения косинусоидальных импульсов α₃ = α₅ = … = 0). Таким образом, использование трансформатора в качестве нагрузки и реализация режима работы транзисторов с углом отсечки коллекторного тока θ = 90° позволяют при обеспечении симметрии схемы полностью исключить присутствие в нагрузке каких-либо высших гармоник¹⁷. Если имеется асимметрия, то высшие гармоники будут присутствовать в нагрузке с учётом отмеченных выше особенностей.

Цепи смещения из резисторов R₁, R₂ позволяют обеспечить необходимый режим работы транзисторов.

Очевидно, если на выходе двухтактного лампового генератора включить высокочастотный трансформатор (часто его называют фидерным трансформатором), то на концах нагрузки при полной симметрии схемы не будут обнаруживаться напряжения чётных гармоник относительно земли (корпуса) и в фидере не будут возбуждаться синфазные (чётные) волны. Схема реализации выходной цепи двухтактного лампового генератора с применением высокочастотного трансформатора Тр показана на рис.15.10. При полной симметрии схемы в индуктивности L_K, как отмечалось, нет токов чётных гармоник, поэтому они не будут обнаруживаться со стороны нагрузки во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора Тр.

Если между обмотками выходного трансформатора в любой схеме двухтактного ГВВ будет существовать помимо магнитной ёмкостная связь, то отмеченного подавления чётных гармоник в нагрузке не будет. Чётные гармоники будут «просачиваться» через ёмкостные связи между обмотками трансформатора. Следовательно, должны приниматься конструктивные меры при выполнении трансформаторов для двухтактных генераторов, уменьшающие ёмкостные связи между обмотками. Уменьшение ёмкостных связей становится более актуальным с повышением рабочей частоты генератора, когда эта связь усиливается. Усиление ёмкостной связи между обмотками трансформатора с повышением частоты сказывается не только на фильтрации гармоник, но и на обеспечении симметрии схемы. Так, в схеме рис.15.9 за счёт ёмкостной связи между обмотками входного трансформатора Тр₁ конец вторичной обмотки, присоединяемый к базе транзистора VT2, имеет утечку на землю (корпус) в месте заземлённого конца у первичной обмотки Тр₁. Конец вторичной обмотки Тр₁, присоединяемый к базе транзистора VT1, подобной утечки на землю (корпус) не имеет. У него проявляется связь с верхним концом первичной обмотки Тр₁ в месте присоединения источника возбуждения. Из-за указанных связей не удаётся обеспечить симметричное противофазное возбуждение транзисторов. Наличие ёмкостных связей между обмотками выходного трансформатора Тр₂ в схеме (рис.15.9) нарушает симметрию выходной цепи генератора. Конец обмотки трансформатора Тр₂, присоединяемый к коллектору VT2, имеет утечку на землю (корпус) через заземлённый конец выходной обмотки в месте присоединения сопротивления полезной нагрузки R_Н. Конец обмотки Тр₂, присоединяемый к коллектору транзистора VT1, такой утечки на землю (корпус) не имеет, но у него проявляется связь с верхним концом выходной обмотки в месте присоединения R_Н. В итоге транзисторы VT1, VT2 нагружаются несимметрично со всеми вытекающими из этого последствиями.