Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№25

9.4. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕДАТЧИКОВ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СТАНЦИЙ

Высокочастотные тракты передатчиков изображения и звукового сопровождения диапазонов метровых и дециметровых волн обычно содержат несколько (до четырех и более) каскадов усиления мощности. Если оконечный каскад передатчика строится на металлокерамических тетродах, то мощность транзисторных каскадов составляет 0,1... 1,0 кВт. Мощность полностью транзисторных передатчиков 0,1...2 кВт, а зару­бежных — до 25 и даже 50 кВт (см. § 9.8).

В передатчиках диапазона дециметровых волн (470...790 МГц) уси­лители мощности выполняются как на металлокерамических тетродах, так и на пролетных многорезонаторных клистронах [19,23]. Предвари­тельные каскады могут выполняться полностью на транзисторах. В каскадах на тетродах, которые на таких высоких частотах включают по схеме с двумя заземленными сетками (см. рис. 3.27), усиление не превы­шает 12 дБ. Поэтому усилители мощности на клистронах, которые обеспечивают усиление до 40 дБ, способны заменить три-четыре каска­да на тетродах. Хотя стоимость клистронов в 5... 10 раз выше, но срок их службы в 5...10 раз больше, чем у тетродов такой же мощности. Низкие уровни мощности и коэффициента усиления транзисторов этого диапа­зона делают их еще более неконкурентоспособными, поскольку клистронный усилитель может заменить до десяти каскадов и до нескольких десятков-сотен транзисторов, а стоимость клистрона оказывается суще­ственно ниже.

Надежность работы ВЧ трактов невысока, и опыт эксплуатации показывает, что 50...70 % отказов ТВ передатчиков возникает в каскадах УМ на электровакуумных приборах (см. табл. 11.2). Надежность теле­визионных РПС как основного средства массовой информации должна быть весьма высокой. Поэтому кроме обычных мер, направленных на повышение надежности электровакуумных и полупроводниковых при­боров, каскадов и устройств в целом, при построении и эксплуатации телевизионных РПС широко используются системы резервирования передатчиков.

Многие разработчики и эксплуатационные службы, особенно зару­бежные, идут по пути 100 %-ного пассивного резервирования, т. е. устанавливают на РПС рядом с работающими передатчиками (сигнала изображения и звукового сопровождения) резервные, в которых вклю­чена система автоматики, прогреты возбудители и, если используются вакуумные приборы, поданы напряжения накала. Переключение на резервный передатчик происходит автоматически при снижении у рабо­тающего выходной мощности ниже некоторого заранее установленного уровня или ухудшении определенных качественных показателей. Такой способ резервирования наиболее оправдан при эксплуатации относи­тельно маломощных, а значит, относительно дешевых и занимающих мало места передатчиков.

В случае использования мощных дорогостоящих и занимающих много места передатчиков в нашей стране повсеместно, а за рубежом во многих ведущих фирмах используют систему активного резервирования. Аппаратура маломощных трактов, к которым относятся возбуди­тели и предварительные усилительные каскады передатчиков изображе­ния и звукового сопровождения, полностью выполняется на транзисторах и интегральных схемах и имеет 100 %-ный пассивный резерв. Мощные каскады обоих передатчиков выполняются из двух одинаковых в схемном и конструктивном отношении полукомплектов, мощности которых складываются на выходе с помощью мостовых уст­ройств. При аварии в одном из полукомплектов выходная мощность из-за потерь в балластном сопротивлении моста снижается в 4 раза (см. § 3.8). При введении системы коммутации исправный полукомплект подключается к выходу в обход моста, и тогда мощность снижается относительно номинальной всего в 2 раза. В зоне уверенного приема при наличии АРУ в телевизионных приемниках качество принимаемых сиг­налов снижается незначительно либо ухудшение вовсе незаметно.

В телевизионную РПС большой мощности входят рабочий и ре­зервный комплекты, состоящие из возбудителей и предварительных усилителей передатчиков изображения и звука. В первом варианте построения (рис. 9.4,я) за ними следуют по два полукомплекта усилите­лей мощности (УМ_из и УМ_зв). После мостов сложения (М₁ и М₂) сигна­лы передатчиков изображения и звука объединяются с помощью разделительного фильтра (РФ) и далее поступают на выходную колеба­тельную систему, которую принято называть фильтром гармоник (ФГ).

Во втором варианте (рис. 9.4,6) после возбудителей и предваритель­ных усилителей следуют два полукомплекта, в состав каждого из кото­рых входят тракты усиления мощности (УМ) каналов изображения и звука. Выходные сигналы объединяются с помощью разделительных фильтров, а затем происходит сложение в мосте (М) мощностей обоих полукомплектов. Каждый полукомплект имеет автономные блоки пи­тания. В обоих вариантах на входах УМ включены управляемые фазо­вращатели для компенсации фазовых сдвигов в обоих полукомплектах (см. §3.10).

По ряду позиций второй вариант построения оказывается более рациональным. В первом варианте при аварии, например, в одном из полукомплектов передатчика изображения для обеспечения определен­ного соотношения мощностей Р_из и Р_зв необходимо снижать вдвое и мощность передатчика сигналов звукового сопровождения, например, отключив один из его полукомплектов. Во втором варианте при аварии все оборудование полукомплекта отключается полностью. Кроме того, второй вариант позволяет получить некоторый выигрыш в габаритных размерах и надежности за счет уменьшения (в 2 раза и более) числа коммутаций ВЧ трактов, хотя общие габаритные размеры М и РФ в первом и втором вариантах мало отличаются.

Рис. 9.4. Структурные схемы телевизионных РПС

На телевизионных станциях диапазона дециметровых волн, в кото­рых усилители мощности строятся на пролетных многорезонаторных клистронах, широко используется «скользящее» резервирование [14,70]. Хотя мощность передатчика звука составляет десятую часть мощности передатчика изображения, в тракте УМ передатчика звука из соображе­ний унификации используется аналогичный клистронный усилитель, работающий в облегченном режиме. Применять в таком случае два полукомплекта в передатчике звука нецелесообразно. Поэтому исполь­зуются три одинаковых клистронных усилителя, каждый из которых может работать в том или другом передатчике. В номинальном режиме, как показано на рис. 9.5, в передатчике изображения используются два усилителя (УМ₁ и УМ₂) с мостами деления и сложения, а в передатчике звука — третий (УМ₃). Если выходит из строя один из усилителей (УМ, или УМ₂), другой продолжает работать и осуществляется обход мос­тов деления и сложения (на рис. 9.5 схемы коммутации не показаны). Если выходит из строя УМ₃, то вместо него включается один из первых двух (например, УМ₁), а в передатчике изображения остается работать только другой УМ₂. При этом также осуществляется обход мостов.

Рис. 9.5. Структурная схема телевизионной РПС дециметрового

диапазона с УМ на пролетных клистронах

В ряде зарубежных РПС используют всего два клистронных усили­теля: один в передатчике изображения, другой — в передатчике звука. Оба клистрона (как в схеме с тремя клистронами) заранее настраивают­ся одинаково — на пропускание суммарной полосы частот каналов изображения и звукового сопровождения. При выходе из строя одного из них колебания от обоих предварительных трактов передатчиков изображения и звука коммутируются через разделительный дополни­тельный фильтр на вход исправного клистрона. По существу переходят к совместному усилению радиосигналов изображения и звукового со­провождения (см. § 9.10). Во избежание больших интермодуляционных искажений выходная мощность при этом снижается более чем в 2 раза.

В современных РПС [69,70] осуществляются автоматически не толь­ко необходимые коммутации в аварийных ситуациях, но и включение и выключение (спустя 5 мин) всей РПС соответственно при подаче (сня­тии) сигналов изображения и звукового сопровождения на возбудители РПС.

Общим недостатком как пассивного 100 %-ного резервирования, так и активного со схемами сложения мощностей полукомплектов является наличие хотя и очень кратковременного, но неизбежного перерыва в вещании на время срабатывания ВЧ переключателей большой мощнос­ти (в системе сложения — переключателей обхода моста и коммутации исправного полукомплекта непосредственно на антенно-фидерное уст­ройство). Время, затрачиваемое на переключение, может составлять до 10 с. Согласно Правилам технической эксплуатации средств вещатель­ного телевидения допускается перерыв в работе, связанный с коммута­цией продолжительностью 1 ...5 с. Не считается также отказом снижение мощности вдвое в течение 0,5...1,0 ч (см. § 11.2). Этого времени обычно бывает достаточно для восстановления работоспособности аварийного полукомплекта.

Представляет интерес схема коммутации без перерыва в вещании, используемая в японской фирме РПС метрового диапазона мощностью 10/2,5 кВт [23] (рис. 9.6,а). Она содержит два трехдецибельных квадра­турных моста, включенных последовательно. В нижнюю соединяющую их линию включен управляемый фазовращатель. К входам 1 и 2 первого моста подключены соответственно передатчики П₁ и П₂ (или полуком­плекты одного передатчика), работающие синфазно. При работе одного первого передатчика его выходная мощность делится поровну первым мостом, затем суммируется вторым мостом и при φ = 0 поступает в антенну. При работе одного второго передатчика при φ = 0 по аналогии вся мощность будет полностью поступать в балластное сопротивление R_б. Чтобы она поступала также в антенну, фазовращатель должен обеспечивать φ = −180°. При работе одного первого передатчика на­пряжения на выходах первого моста сдвинуты по фазе относительно друг друга на −90°, а при работе одного второго — на +90°. При одновременной работе двух синфазных передатчиков в первом мосте их мощности суммируются и делятся поровну, но суммарные напряжения на его выходах оказываются синфазными. Поэтому при φ = 0 аналогич­но после суммирования во втором мосте мощности двух передатчиков поровну делятся между антенной и R_б. Чтобы вся мощность поступала только в антенну, фазовый сдвиг должен составлять φ = −90°.

Рис. 9.6. Схемы коммутации передатчиков на фазовращателях

В целях упрощения системы и для предотвращения ухудшения раз­вязки из-за неодинакового затухания в верхней и нижней линиях в обе линии (рис. 9.6,б) вводят одинаковые регулируемые фазовращатели φ₁ и φ₂ обеспечивающие дискретные значения −45, 0, +45°. Кроме того, в нижнюю линию устанавливают нерегулируемый фазовращатель на −90° в виде отрезка четвертьволновой линии. В номинальном режиме при суммировании мощностей двух одинаковых синфазных передатчиков оба регулируемых фазовращателя должны вносить нулевой или одинаковый фазовый сдвиг . При работе одного первого передатчика должно быть , , а при работе одного второго , .

Оба регулируемых фазовращателя выполняются на квадратурных мостах, аналогичных основным мостам М₁ и М₂, но к плечам 3 и 4 которых подключены реактивные сопротивления X, состоящие из не­больших отрезков линий (эквивалентных индуктивностям) и перестра­иваемых конденсаторов.

При поступлении ВЧ колебаний на вход 1 каждого фазовращателя они проходят через мосты на клеммы 3 и 4, где делятся поровну и ввиду реактивной нагрузки полностью отражаются и далее суммируются на на выходе 4. За время прохождения от входа 1 до выхода 4 ВЧ колебания приобретают фазовый сдвиг, зависящий от величины и значения реактивностей Х₁ и Х₂. В номинальном режиме при суммировании мощнос­тей двух передатчиков устанавливают Х₁ = Х₂, и поэтому . При работе только первого или второго передатчика емкости перестра­ивают так, чтобы Х₁ и Х₂ принимали определенные значения и соблю­дались условия , а .

Конденсаторы, которые используются в этой системе, не имеют тру­щихся контактов и деталей, характеризуются малой инерционностью ротора и рассчитаны на напряжение до 10 кВ. Время их перестройки менее 0,2 с. За время переключения нагрузка на оба передатчика оста­ется неизменной, и только их мощность перераспределяется между антенной и R_б.

Кардинальным решением, позволяющим полностью отказаться как от пассивного, так и от активного резервирования, являются блочно-модульное построение и полная «транзисторизация» мощных телевизион­ных передатчиков, поскольку при правильном выборе режима и условий эксплуатации надежность и долговечность транзисторов на­много выше надежности и долговечности вакуумных приборов. Ис­пользование блочно-модульного построения мощных оконечных каскадов приводит к тому, что во время работы выход из строя одного из модулей ведет только к незначительному снижению уровня выходной мощности. Согласно соотношениям, приведенным в § 3.8, при четырех модулях (N = 4) мощность уменьшается на 44 %, при N = 8 — на 23%, при N = 16 — на 12 %, при N = 32 — на 6 %, и т. д. Замена модуля исправным и ремонт могут осуществляться без перерыва в работе либо во время профилактических осмотров. Недостатки этой системы состо­ят в том, что, во-первых, балластные резисторы должны рассчитываться с большим запасом по рассеиваемой мощности, и, во-вторых, происхо­дит заметное усложнение схемы, увеличение числа разъемов и соедине­ний.

Литература: В. В. Шахгильдян, “Радиопередающие устройства”, Издательство «Радио и связь», Москва, 2003.

5