СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Задача сложения мощностей возникает, когда мощность одного АЭ недостаточна для получения требуемой мощности передатчика. Особенно при реализации транзисторных устройств.
Существуют различные способы сложения мощностей.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ |
|
|
|
|
|
||||||
При параллельном включении двух АЭ |
(рис.1) через общую |
нагрузку |
|
ZH |
|||||||
протекает сумма выходных токов активных элементов. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Cбл4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
i'ВЫХ |
|
|
i''ВЫХ |
|
I'ВЫХ |
|
|
I''ВЫХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Cбл1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВХ |
|
|
|
|
|
|
|
ZН |
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Lбл1 |
|
|
Lбл2 |
UВХ |
|
|
|
|
Н |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Cбл2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
EС |
Cбл3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
EП |
а) |
|
|
б) |
|
|
|||
Рис.1. Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы УМ с параллельным включением двух АЭ
1
Напряжение на нагрузке UH создается первыми гармониками токов АЭ (рис.1б):
UН=ZНIВЫХ1=ZН(I ВЫХ1+I ВЫХ1) |
(1) |
Отношение напряжения UH на общей нагрузке к выходному току одного из АЭ
называется кажущимся (ощущаемым) сопротивлением нагрузки для этого АЭ. Кажущиеся сопротивления для AЭ1 и АЭ2:
Z Н=UН/I ВЫХ1=ZН(I ВЫХ1+I ВЫХ1)/I ВЫХ1=ZН(1+I ВЫХ1/I ВЫХ1)
Z Н=UН/I ВЫХ1=ZН(1+I ВЫХ1/I ВЫХ1) |
(2) |
Пусть I ВЫХ1, I ВЫХ1 различаются по величине и фазе: I ВЫХ1=K I ВЫХ1, где K=Kej Напряжение на контуре UН=ZНIВЫХ1=ZН(I ВЫХ1+I ВЫХ1)= ZН I ВЫХ1(1+ K).
Ощущаемое сопротивление нагрузки каждого АЭ
Z НОЩ= UН/ I'ВЫХ1=ZН (1+ K)
Z' НОЩ= UН/ I''ВЫХ1=ZН (1+ 1/K)= Z НОЩ/ K
При идентичности I ВЫХ1, I ВЫХ1 |
Z НОЩ =Z' НОЩ=2Zн. |
Согласно (2) взаимодействие активных элементов проявляется в том, что кажущиеся сопротивления Z НОЩ, Z НОЩ, на которые они нагружены, отличаются от
ZH и зависят от соотношения токов АЭ.
Полезные мощности, отдаваемые АЭ1 и АЭ2, складываются в общей нагрузке: |
|
|
2 |
P1= P 1+P 1=0.5UН·I ВЫХ1cos Н+0.5UН · I ВЫХ1cos Н |
(3) |
Суммируются и мощности, потребляемые АЭ от источника питания ЕП:
P0= P 0+ P 0=ЕП · I ВЫХ0+ЕП · I ВЫХ0 |
(4) |
Совместная работа АЭ эффективна, когда они идентичны и режим их одинаков. При этом, если ZH=RН, то в соответствии с (2) ощущаемые ими нагрузки
Z Н=R Н=2 RН |
|
Z Н=R Н=2 RН |
(5) |
Следовательно, схему можно разбить на два самостоятельных (но не |
|
независимых) усилителя мощности, работающих каждый на нагрузку 2RH. |
|
Для получения максимальной мощности Р1 |
каждый АЭ должен работать в |
критическом режиме на нагрузку R НКР=R НКР. Поэтому входное сопротивление ЦС
должно быть равно RНКР=0,5R НКР=0,5R НКР.
Рассмотрим причины возможного нарушения симметрии режима активных элементов. Пусть фазы Н и Н не совпадают, например, из-за разных значений
фазы крутизны.
При настроенной нагрузке между суммарным током IВЫХ1= I ВЫХ1+I ВЫХ1 и
напряжением UH сдвига фаз нет, но имеется сдвиг фаз между |
токами I ВЫХ1 и |
|
I ВЫХ1. |
|
|
Тогда согласно (2) нагрузка для каждого АЭ будет комплексной: |
|
|
Z |
=R (1+еj 2) |
|
Н |
Н |
|
Z |
=R (1+е–j /2) |
(6) |
Н Н |
|
|
и полезная мощность каждого упадет до
Различия АЭ по модулю крутизны |S| и напряжению запирания E приводят к несовпадению углов отсечки и амплитуды импульсов токов I ВЫХ1 и I ВЫХ2 АЭ.
При этом один АЭ может попасть в недопустимо тяжелый режим по току и мощности рассеяния, а другой, наоборот, может оказаться недогруженным.
Поэтому при включенных параллельно АЭ рекомендуется симметрировать их режимы. Простейшим способом достижения симметрии транзисторного УМ является включение последовательно с эмиттерами цепей автосмещения (рис.2а), стабилизирующих режим каждого транзистора.
Cбл |
|
|
|
Lбл2 |
|
UВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lбл1 |
|
|
|
Cбл |
|
Cбл |
RЭ |
CЭ |
RЭ CЭ |
EП |
|
|
|
EС 
Рис.2а. Схема УМ с эмиттерным автосмещением для симметрирования режимов транзисторов
Более лучшая схема симметрирования представлена на рис.2б. |
4 |
|
Lбл
Cр
UВХ |
Rдоп |
Lбл |
CЭ |
|
|
|
RЭ |
Rдоп |
Lбл |
Lбл |
C |
||
|
|
Э |
|
|
RЭ |
Cбл EП
Cсв |
C3'= C3''=C3/2; |
|
RП'= RП''=2RП |
|
RП |
Cбл
Рис.2б. Улучшенная схема симметрирования УМ и режимов
•Разделение L, C элементов на входах и выходах позволяет лучше симметрировать схему и режимы.
•Rдоп для выравнивания постоянных эм эмиттерных переходов.
•RЭ для стабилизации и симметрирования режимов.
•Раздельные L, C облегчают реализацию на высоких частотах: L – больше, C –
меньше. |
5 |
|
Условия совместной работы параллельно включенных в УМ АЭ остаются справедливыми и для т параллельно включенных АЭ.
При идентичных АЭ для расчета их режимов надо в соответствующих формулах заменить 2 на т, т. е.
P0=mP 0,
P1=mP 1, |
|
R н=mR н |
(8) |
и так далее.
Недостатки УМ с параллельно включенными АЭ:
•Необходима синфазность и равенство амплитуд выходных токов (симметрия схемы).
•Увеличивается вероятность паразитных колебаний (нужен монтаж короткими проводами с малыми L и C).
•Увеличиваются входные, проходные и выходные емкости (затрудняется выполнение L при высоких частотах L= 1/ 2CК), уменьшается = L=1/ C.
•Увеличивается вероятность возникновения неисправностей.
6
ДВУХТАКТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Схема УМ с двухтактным включением АЭ (рис. 3) симметрична относительно
точки заземления, а режимы АЭ1 и АЭ2 одинаковы |
|
|
iа’ |
a |
Z3’ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|
C3 |
|
|
|
|
|
|
|
Z1’ |
|
|
Lбл1 |
|
|
uН’ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
+ |
- |
Cбл1 |
|
|
|
U’ВХ |
|
|
О |
|
iЦС |
||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
EС |
|
|
C4 |
L |
U’’ВХ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Lбл2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
C2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
бл3 |
|
|
|
|
|
|
Z1’’ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
Cбл2 |
|
|
uН’’ |
|
Z ’’ |
||||
|
|
|
+ EП - |
б) |
|
|
|
|
|
|
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a’’ |
|
||
|
|
|
|
|
|
iа’’ |
|
||||||
Рис. 3. Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы двухтактного усилителя |
|
|
Цепь согласования с нагрузкой ZП состоит из попарно равных сопротивлений: |
||
Z1 =Z1 =Z1, Z3 =Z3 =Z3. |
|
|
Напряжения u Н и u Н между точками Оа' и Оа": |
|
|
u Н=Z1(iа –iЦС); |
u Н=Z1(iа +iЦС); |
(9) |
где iцс –ток в цепи согласования. |
|
7 |
|
|
|
|
H |
H |
1 а а |
1 ЦС |
3 П ЦС |
Отсюда |
iЦС=(iа –iа )(Z1/Z) |
|
(11) |
||
где Z – сумма сопротивлений при круговом обходе контура ЦС: |
|||||
|
|
|
Z=2Z1+2Z3+ ZП |
|
(12) |
Из (11) найдем n-ю гармонику тока iЦС:
IЦСn=(Iаn - Iаn )(Z1n/Zn), n=1, 2, 3,… |
(13) |
где Zln и Zn, Iаn и Iаn –сопротивления Z1 и Z, а также амплитуды анодных токов АЭ1 и АЭ2 на частотах п-х гармоник.
Если iа =iа , iЦС=0 и мощность в нагрузке не выделяется. Чтобы создать мощность на выходе УМ, надо поменять на обратное направление одного из токов в (11), т. е. напряжения возбуждения u ВХ и u ВХ нужно сделать противофазными:
u ВХ=U ВХ cos u ВХ= –U ВХ cos (14)
Тогда токи iа , iа представленные суммами гармоник, можно записать в виде
iа =Iа0 + Iа1 cos + Iа2 cos2 + Iа3 cos3t +… |
8 |
|
|
iа = Iа0 – Iа1 cos + Iа2 cos2 – Iа3 cos3 +… |
|
iA V1
|
IA2V1 cos 2 t |
I A1V 1 cos t |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
UMC cos t |
|
|
|
|
|
iA V2 |
|
UMC cos t |
|
I A2V 2 cos2 t |
|
|
|
t |
|
|
I A1V 2 cos t |
|
|
|
Рис. Временные диаграммы напряжений возбуждения |
я |
|
|
и анодных токов и их первых IA1 и вторых гармоник IA2 |
|
|
|
(импульсы тока изображены с углом <900) |
|
|
9
Из (15), (11) следует, что ток контура iЦС при симметрии схемы и режимов АЭ создается только нечетными гармониками, что облегчает фильтрацию гармоник. Найдем кажущиеся сопротивления Zа , Zа и мощности P1 , P1 поступающие в ЦС.
Для этого используя (13) определим напряжения U'a и U''a, полагая |
|
IЦС1 >>Iа1 , Iа1" |
|||||||||||||||||||||||||
U' = Z (I |
а1 |
–i )= |
{i =(i |
–i |
)(Z /Z)} |
U |
' |
|
Z 2 |
|
|
|
I '' |
|
|
|
|
||||||||||
a |
1 |
ЦС |
|
ЦС а |
|
|
а |
|
1 |
|
|
1 I ' |
1 |
a1 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
Z |
|
|
a1 |
|
|
' |
|
|
|
|
|
||
=Z1Iа1 –Z1(Iа1 –Iа1 )(Z1/Z)= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ia1 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
'' |
|
|
|
2 |
|
|
'' |
|
|
|
|
' |
|
(16) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z1 |
|
|
|
Ia1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
a |
|
|
|
|
|
I |
a1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'' |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
= –Z1(Iа1 –Iа1 )(Z1/Z) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ia1 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Сопротивление (Z 2/Z)=Z |
a |
представляет собой нагрузку одного из АЭ при |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отключенном другом. Если Z1=jX1, |
Z3=jХ3, а нагрузка комплексная ZП=rП+ jXП, |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Z = –Z |
2/Z = X |
2/(r +jX) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(17) |
|||||
|
|
|
|
|
|
a |
|
1 |
1 |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
Х = 2Х1+2Х3+ХП |
– сумма всех реактивных сопротивлений контура . |
|
||||||||||||||||||||||||
|
Если настроить элементы Х3 так, чтобы суммарное реактивное сопротивление |
||||||||||||||||||||||||||
контура X обратилось в нуль, кажущееся сопротивление Za будет вещественным:
Z = R |
a |
= X 2/r |
П |
(18) |
a |
1 |
|
и в четыре раза меньшим сопротивления контура между точками включения анодов10 а'–а" (рис. 3):
В случае, когда Х1= –1/ C1, Х3 = L3, ХП=0, Ra’a’’= Q является резонансным
сопротивлением контура при полном его включении. |
|
||||
L3=2/ C1=2 Х1 |
R ' |
|
Ua' 1 |
R |
1 |
Кажущиеся сопротивления |
н |
' |
a |
||
|
|
Ia1 |
|
|
|
|
R '' |
н |
Ua''1 |
R |
1 |
|
|
'' |
a |
||
|
|
|
Ia1 |
|
|
Ia'' 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
' |
|
|||
Ia1 |
|
|
|
|
' |
|
|
|
|
|
Ia1 |
|
|
(20) |
|
'' |
|
||
|
Ia1 |
|
|
|
При одинаковых амплитудах и противоположных фазах токов Iа1 и Iа1" их отношение Iа1 /Iа1"= -1 и кажущиеся сопротивления для АЭ1 и АЭ2 равны
RН = RН = 2Ra = 0,5Ra’a’’ , как и при параллельном включении АЭ.
Следовательно, все рассуждения относительно нагрузочных характеристик, сложения мощностей, влияния амплитудной и фазовой асимметрии, проводившиеся для параллельного включения АЭ, справедливы и для двухтактной схемы.
Необходимая мощность возбуждения двухтактного ГВВ |
PВОЗБ=2PВОЗБ1=UВХ IС1, |
|
где PВОЗБ1=0,5UВХ IС1 – мощность возбуждения 1 лампы, IС1 – амплитуда сеточного |
||
тока 1-ой гармоники 1 лампы. |
|
|
Двухтактное включение АЭ |
часто используется |
в широкополосных |
транзисторных УМ. Разрабатываются специальные транзисторные сборки11 для работы в двухтактных ГВВ.