Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фильтрация сигналов и согласование нагрузок. Учебное пособие
.pdf
Контрольныевопросыкглаве7
С учетом данного условия оплетки линий Л1а и Л2 на рис. 7.7, в соеди-
нены параллельно. ШТЛ выполняется на одном кольце (сердечнике).
Для подавления четных гармоник необходимо включить линию, аналогичную линии Л1 на рис. 7.6. Данная линия (на рис. 7.7 не показана)
должна наматываться на отдельном кольце.
Преобразования для ШТЛ 1:3, позволяющие перейти от симметричной нагрузки к несимметричной, показаны на рис. 7.8 (ферритовые кольца не показаны). На рис. 7.8, а изображен ШТЛ 1:3, у которого ФЛ устранены аналогично тому, как это было сделано на схеме
рис. 6.18. Для перехода к симметричной нагрузке (рис. 7.8, б) введен
отрезок линии Л3. Отрезки линий Л1 и Л2 (рис. 7.8, в) разделены попо-
лам соответственно на отрезки Л1а, Л1б и Л2а, Л2б, при этом получи-
лись отрезки Л1б и Л2б, оплетки которых эквипотенциальны оплетке
отрезка Л3. На последнем этапе преобразований (рис. 7.8, г) соедине-
ны оплетки отрезков Л3, Л2б, Л1б, а также — Л1а, Л2а так, чтобы все
отрезки могли быть намотаны последовательно на одном кольце. Линия для подавления синфазных составляющих наматывается на отдельном кольце (на рис. 7.8 не показана).
Основной недостаток как параллельного включения, так и двухтактной схемы — изменение нагрузки в аварийном режиме и вероятный выход активного прибора из строя. Для устранения данного недостатка используют мостовые схемы сложения мощностей генераторов.
Контрольные вопросы к главе 7
1. В каком случае первые гармоники анодных токов ламп, включенных параллельно (см. рис. 7.1), не будут синфазны?
2. Чему равно сопротивление нагрузки для каждой лампы, если
сопротивление нагрузочного контура равно Ra?
3. Если одна из ламп вышла из строя, каким станет режим работы второй лампы?
4. В чем преимущество двухтактной схемы по сравнению с параллельным включением ламп?
5. Зачем в схему, изображенную на рис. 7.5, добавлена линия Л1?
111
12
=
1234
= = = =
1234
= = =
2
4
,
1
ZZR
каж1 каж2
= = .
8. Мостовые схемы сложения
ассмотрим суммирование мощностей двух идентичных синфазных генераторов U1 и U2 с использованием классической
Р
мостовой схемы (моста Уинстона, рис. 8.1, а).
При идентичности генераторов
токи, протекающие через резисторы, равны
Токи, протекающие через резисторы 1 и 3, компен-
сируют друг друга. Потенциалы точек 1, 4 и соответственно 2, 3 совпадают, и их можно соединить. Полученная таким образом схема изображена на рис. 8.1, б. Нагрузочными резисторами в такой схеме
являются резисторы
а б
и
включенные параллельно.
и симметрии схемы
На схеме можно увидеть, что сопротивления нагрузки, ощущае-
мые генераторами, равны:
112
R
R
I
1
R
U
1
4
~
R
R
2
1
I
I
4
I
3
3
3
R
4
2
R
R R R
2
U
U
1
2
~ ~
U
2
~
Рис. 8.1. Мостовая схема сложения (а) и ее эквивалентная схема (б)
Контрольныевопросыкглаве7
выхном1ном2ном1
2.
ZR
= .
1в
= =05 025,,.
В сопротивлении нагрузки мостовой схемы R/2 выделяется сумма
номинальных мощностей двух генераторов:
Рассмотрим работу мостовой схемы в аварийном режиме. Предположим, вышел из строя второй генератор. При этом возможны режимы короткого замыкания зажимов генератора или холостого хода.
Выполним анализ в режиме холостого хода. Схема, получающаяся при
обрыве второго генератора, приведена на рис. 8.2.
R R
R
1
R R
~
Рис. 8.2. Эквивалентная схема для аварийного режима
Очевидно, что кажущееся сопротивление нагрузки для первого генератора не изменилось:
каж1 АВ
Следовательно, не изменился режим работы первого генератора
(он не ощутил выхода из строя второго генератора, но его выходная
мощность делится теперь поровну между балластными (R1, R3) и нагрузочными (R2, R4) резисторами:
выхАВном
ых
Таким образом, мощность в нагрузке в аварийном режиме уменьшается в четыре раза. Такова плата за развязку генераторов. В классической мостовой схеме присутствует два сопротивления нагрузки
(на практике чаще всего одно). И если заземлить одну из четырех
точек (1, 2, 3 или 4), то один из генераторов, а также один из нагрузочных и балластных резисторов оказываются изолированными от земли.
Для того чтобы иметь возможность заземлить необходимые точки и объединить нагрузочные и балластные резисторы, в схему можно ввести идеальные трансформаторы и преобразовать ее.
113
8.Мостовыесхемысложения
ZZ RR
нг
= = =05,.
R
R
R
н
бн
= 4
Рассмотрим преобразованную мостовую схему сложения мощностей двух генераторов (рис. 8.3), внешне очень похожую на двухтактную. Предположим, что U1 и U2 — синусоидальные ЭДС (генераторы
работают без отсечки), R1 и R2 — внутренние сопротивления генераторов. Схема полностью симметрична: U1 = U2, R1=R2=Ri, идеальный
автотрансформатор имеет отвод от середины. В таком предположении в схеме протекает один круговой ток по контуру: U1, Ri, Rн, Ri, U2.
В силу симметрии схемы потенциал середины резистора Rн и потенциал середины автотрансформатора совпадают с потенциалом земли,
то есть равны нулю. Через балластный резистор Rб ток не протекает.
В сопротивлении нагрузки Rн выделяется номинальная мощность двух
генераторов Рн = 2 Р
. Каждый из генераторов ощущает кажущееся
1 ном
сопротивление нагрузки:
каж1 каж2
(8.1)
р
Работа схемы полностью эквивалентна работе двухтактной схемы.
Рассмотрим, что произойдет, если один из генераторов (например, U
2
выйдет из строя (рис. 8.3). Возможны два варианта: обрыв (холостой
ход) или короткое замыкание генератора.
а б в
i
1
R
б
~
U
R
2
а — исходная схема; б — схема при замыкании нижнего генератора;
R
н
i
Рис. 8.3. Преобразования мостовой схемы:
в — эквивалентная схема нагрузки для верхнего генератора
U
1
i
R
~~
R
б
н
U
1
i
~
R
0,25R
б
Если произошло короткое замыкание генератора U2, принципиальная схема изменится (рис. 8.3, б). Схема, эквивалентная рис. 8.3, б,
показана на рис. 8.3, в. Из рис. 8.3, в следует, что при выборе сопротивления
сопротивление нагрузки для генератора U1 не из-
)
менится.
При таком значении балластного резистора Rб обрыв генератора U2 также не изменит нагрузку для генератора U1. Более того, под-
114
Контрольныевопросыкглаве7
Ri
ii
ii
).
22
11
нб
робный анализ показывает, что оба генератора не ощущают присутствия друг друга, то есть по сравнению со схемами параллельного или
последовательного включения генераторов мостовая схема обладает существенным преимуществом: режимы работы генераторов оказываются независимыми. Говорят, что генераторы в мостовой схеме
сложения полностью развязаны и выход из строя одного из них (при
соответствующей защите источников питания) никак не сказывается
на режиме второго. Это означает, что радиопередающее устройство,
построенное с использованием мостовых схем сложения мощностей
генераторов, становится более надежным, чем устройство, в котором
используются последовательные или параллельные схемы сложения.
Выполненный анализ справедлив, если в схеме используются генераторы гармонической ЭДС (или после соответствующих преобразований схемы — генераторы гармонического тока). Реально транзисторы
в оконечных каскадах РПУ работают с отсечкой коллекторного тока.
Следовательно, токи коллекторов содержат первую, вторую, третью
и т. д. гармоники частоты возбуждения. Однако в двухтактной схеме
вторые гармоники синфазны. Как же будут протекать (по каким контурам) вторые гармоники в мостовой схеме (см. рис. 8.3)? Оказывается, что в нормальном режиме работы схемы через нагрузку они не протекают, но суммируются в балластном резисторе Rб. Более того, все
четные гармоники суммируются в балластном резисторе, а все нечетные — в нагрузке. Мгновенное значение переменного напряжения u(t)
на зажимах генераторов (на зажимах коллектор-эмиттер) определяется суммой напряжений:
tIRitI
() ,cos[( )] cos(
05 21
21 2
t
(8.2)
Анализ соотношений (8.1) и (8.2) показывает, что каждый из генераторов ощущает на частоте любой гармоники сопротивление нагрузке 0,5R
= Rгр, то есть генераторы работают на чисто активные нагруз-
н
ки. Хорошо это или плохо?
Для того чтобы это понять, рассмотрим форму напряжения на коллекторе для случая, когда ток коллектора содержит только две гармоники — первую и вторую, а соотношение между их амплитудами
такое же, как при угле отсечки q = 90°. Сравнивать будем два генератора: первый — двухтактный генератор с резонансной нагрузкой для
первой гармоники, второй — генератор с мостовой схемой сложения.
115
8.Мостовыесхемысложения
() cos;
км ккгр кгр
() coscos .
12
2
кд
(),
км
(),
к
().
к2 кгр
() cos
2
2
e (t)
e (t)
2p
p/2
Примем также, что транзисторы и мощности первых гармоник в генераторах одинаковы. Мгновенное значение напряжения на коллекторе ек(t) определяется суммой напряжения питания Ек и переменного напряжения U(t):
§ для двухтактной схемы
кд ккгр
1
§ для мостовой схемы
На рис. 8.4 изображены напряжения на коллекторе двухтактной
схемы
тельности импульсов коллекторного тока
фик напряжения второй гармоники
на коллекторе мостовой схемы
а также последова-
Там же изображен гра-
в мостовой
схеме (для удобства суммирования напряжений график поднят на уровень напряжения питания Ек).
а
б
i (t)
к
к
e
кд
к min м
e (t)
км
u (t)
к2
e
к min д
Е
к
t
t
Рис. 8.4. Графики напряжений (а) и токов (б) на коллекторах двухтактной
и мостовой схем
Из рис. 8.4 следует, что остаточное напряжение на коллекторе мостовой схемы e
пряжения двухтактной схемы e
, оказывается существенно меньше остаточного на-
к min м
.
к min д
Предположим, что для двухтактной схемы установлен граничный
режим при остаточном напряжении e
. Если напряжения питания
к min д
116
Контрольныевопросыкглаве7
генераторов Ек равны, режим генератора с мостовой схемой сложения
при остаточном напряжении e
станет перенапряженным. Для того
к min м
чтобы сделать режим граничным, придется увеличить напряжение питания на величину равную амплитуде второй гармоники Uк2= 0,42Uк1, то
есть при равных значениях выходной мощности мощность, потребляемая от источника питания генератором с мостовой схемой сложения,
будет почти на 40 % больше, чем мощность, потребляемая от источника питания генератором с резонансной нагрузкой. Следовательно, будет меньшим КПД по первой гармонике генератора с мостовой схемой
сложения. Однако не вся добавочная мощность, потребляемая от источника питания, рассеется на коллекторах транзисторов в мостовой
схеме сложения. Часть ее рассеется в виде тепла на балластном резисторе. Поскольку данное явление не может улучшить энергетические
характеристики схемы, мостовые схемы сложения не используют для
суммирования мощностей генераторов, работающих с отсечкой тока.
Суммируют мощности генераторов с гармоническим или квазигармоническим выходным током или напряжением. Таким генератором можно считать в первом приближении двухтактный генератор,
транзисторы которого идентичны и работают с углом отсечки q =90°.
Действительно, при угле отсечки q =90° нечетные гармоники, кроме первой, равны нулю, четные при симметрии схемы уничтожаются
и выходной ток (напряжение) генератора можно считать приближающимся к гармоническому. Другим способом создания гармонического генератора является фильтрация высших гармоник на выходе
генератора, работающего с отсечкой. Для этого на выходе генератора
устанавливают фильтр с полосой пропускания меньше октавы. Следует учитывать, что в последнем случае ограничивается широкополосность (диапазонность) генератора.
Пример схемы с суммированием мощностей двух двухтактных генераторов приведен на рис. 8.5. На транзисторах VT1, VT2, трансфор-
маторе Т1 и на транзисторах VT3, VT4, трансформаторе Т2 выполнены
двухтактные каскады, выходные токи (напряжения) которых в первом
приближении являются синусоидальными. На трансформаторе Т3 выполнена мостовая схема сложения.
Обобщением данной схемы будут схемы сложения мощностей
восьми, затем шестнадцати, тридцати двух и т. д. транзисторов. Если
один из транзисторов выходит из строя, то выходит из строя и второй транзистор в двухтактном каскаде. Остальные транзисторы в схе-
117
8.Мостовыесхемысложения
2
.
VT1
VT
VT
ме сложения не ощущают отсутствия выбывших из строя. Интересно оценить, как изменяется выходная мощность схемы при выходе
из строя одного из двухтактных каскадов. Итак, при идеальной симметрии выходная мощность схемы Р
вых
= 4 Р
. Здесь Р
1 ном
— номи-
1 ном
нальная выходная мощность одного транзистора. При выходе из строя
двух транзисторов мощность оставшихся поделится поровну (рис. 8.5,
соотношение (8.1)) между нагрузочным и балластным резисторами,
то есть Р
вых АВ
= 0,25 Р
вых
= Р
. Следовательно, балластный резистор
бал
должен выдерживать эту мощность все время до устранения аварийной ситуации. В общем случае при суммировании мощностей транзисторов (N = 4, 8, 16, 32 и т. д.) выход из строя (М) двух, четырех, шести
или восьми (то есть одной, двух, трех или четырех двухтактных каскадов) транзисторов приводит к снижению выходной мощности схемы
в соответствии с формулой [5]
Р
выхАВ
Р
ном1
NM
(8.3)
N
Т1
Т3
R
2
б
R
Н
3
Т2
VT4
Рис. 8.5. Суммирование мощностей двух двухтактных генераторов
Результаты расчетов по формуле (8.3) представлены ниже.
118
Контрольныевопросыкглаве7
Нормированная мощность в нагрузке Р
Число транзисторов N
в схеме суммирования
4 1 – – –
8 4,5 2 0,5 –
16 12,25 9 6,25 4
32 28,25 24,5 21,125 18
Число вышедших из строя транзисторов М
2 4 6 8
вых АВ/Р1 ном
Например, при суммировании мощностей 32 транзисторов и нор-
мальной работе (М = 0) в соответствии с формулой (8.2) Р
= 32Р
вых
1 ном
При выходе из строя двух, четырех и т. д. транзисторов мощность будет
снижаться, как показано в нижней строке таблицы 28,25Р
21,125Р
1 ном
… .
1 ном
, 24,5Р
1 ном
,
Для практического использования классической мостовой схемы
сложения ее нужно преобразовать так, чтобы оба генератора и нагрузка были заземлены. Схема (рис. 8.3, а) показывает, что данная задача была решена с помощью идеального автотрансформатора. Замена
идеального трансформатора реальным вызывает искажение характеристик схемы и требует дополнительного анализа [5].
Преобразования классической мостовой схемы сложения с помощью отрезков длинных линий, намотанных на ферритовые сердечники
(подобное решение использовано в ШТЛ), показаны на рис. 8.6 [17].
Для того чтобы каждый из генераторов, а также нагрузочные резисторы имели общую точку с землей, генераторы и нагрузочные резисторы подключены к мостовой схеме с помощью линий Л1–Л4
(рис. 8.6, а). Волновые сопротивления всех линий, и всех резисторов
(в том числе и Rб) равны W. Линии намотаны на ферритовых кольцах
(на рисунке не показаны) для уменьшения разбаланса моста на низких частотах. На рис. 8.6, б генераторы развернуты и показаны справа, линии с нагрузочными резисторами — слева. Цифры на рис. 8.6, б
соответствуют цифрам узловых точек моста рис. 8.6, а. На рис. 8.6, в
нагрузочные резисторы объединены. На рис. 8.6, г оплетки линий
Л2, Л3, а также Л1, Л4 включены параллельно в силу их эквипотенциальности. Это — основная схема сложения для двух генераторов.
На рис. 8.6, д показано, что схему на рис. 8.6, г можно рассмотреть как
схему, обладающую круговой симметрией, увеличив в два раза количество балластных резисторов. На рис. 8.6, е показано обобщение схемы рис. 8.6, г на n генераторов.
.
119
8.Мостовыесхемысложения
а
R = w
б
W
Л1
е
~
1
Л4
W
2
Л2
R
б
1
3
R
б
4
Л3
е
W
2
W
б
2
2
W
W
Л2
Л4
3
R
б
4
1
Л1
4
3
~
е
1
R
б
Л3
1
е
~
2
~
в
2
2
w/2
Л2
Л4
3
R
б
4
1
Л1
е
4
~
1
3
Л3
1
е
~
2
г
е
w
2
~
е
w/2
1
w
R
б
~
Л3
Л2
Л4
Л1
3
1
2
R
R
б
б
1
2
4
2R
д
2R
б
Л3
Л2
2R
б
2R
б
е
w/n
б
w
w w
1 2
2R
б
w
w
3
w/2
i
Л1
Л4
w w
2R
б
2R
б
Рис. 8.6. Преобразования мостовой схемы сложения:
а — исходная схема; б — линии, расположенные горизонтально; в — объединенные
нагрузки; г — объединенные эквипотенциальные оплетки; д — схема с круговой
симметрией; е — обобщение схемы для суммирования мощностей п генераторов
120
2R
2R
б
б
w
w
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]