книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

Если ср = 0, к = 1, то

Колебательная мощность, отдаваемая в нагрузку одной лампой:

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

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,

Тогда сигнал возбуждения, подаваемый на лампу Гг, следует счи­ тать равным

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 +

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-

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