Трансформаторные каскады с парафазным возбуждением

Выходной каскад с разделенной нагрузкой

При поиске полезной модификации симметричной структуры желательно было совместить преимущества однотактного и двухтактного каскадов без их недостатков, а именно: иметь параметрическую компенсацию четных гармоник при работе магнитопровода согласующего трансформатора на частной петле перемагничивания.

В связи с этим вниманию читателей предложу новый вариант оконечного каскада с разделенной нагрузкой — с двумя выходными трансформаторами (рис. 10, 11). На мой взгляд, применение двух трансформаторов — допустимая цена за исключительно хорошие свойства и высокую гибкость.

Структура двухтактного каскада получается при объединении вторичных обмоток выходных трансформаторов двух однотактных каскадов и возбуждении этих каскадов парафазным сигналом. В результате благодаря пара-фазности работы каскада подавляются четные гармонические искажения (естественно, с учетом реального коэффициента асимметрии плеч). Его можно возбуждать от фазоинверсного каскада любого типа, в нем допускается использовать любые лампы и вводить различные виды местной обратной связи в каждое плечо как независимо, так и перекрестно. Нормальная работа усилителя возможна только в классе А.

Как видно из этих двух схем, возможны два варианта реализации каскада, существенно отличающиеся по свойствам. Если по постоянному току в обоих вариантах лампы включены параллельно, то по переменному току включение ламп зависит от того, как соединены вторичные обмотки выходных трансформаторов и как подключена к ним нагрузка.

В усилителе два выходных трансформатора, и их магнитопроводы работают в частной петле перемагничивания. Искушенный читатель скажет — это недостаток. Да, с позиций уменьшения стоимости, габаритов конструкции и сложности это так, но если во главу угла ставится вопрос качества — это достоинство.

Во-первых, устраняется переход индукции в трансформаторе через ноль и, соответственно, характерные нелинейности трансформатора на малых уровнях сигнала. Во-вторых, токи покоя в плечах каскада можно установить различными сознательно, чтобы иметь возможность регулировать уровень четных гармоник в выходном сигнале и использовать лампы с большим разбросом характеристик.

Отличием от обычного двухтактного каскада является и место, где происходит компенсация четных гармоник. В классическом двухтактном усилителе компенсация происходит в магнитном поле выходного трансформатора; а в таком комбинированном каскаде — непосредственно на сопротивлении нагрузки. Для получения основных расчетных соотношений и лучшего уяснения свойств каскадов представим их в виде эквивалентных схем, предположив, что лампы и трансформаторы одинаковы. Для этого представим лампы как эквивалентный источник ЭДС Е с выходным сопротивлением R_i или как эквивалентный источник тока I, зашунтированный сопротивлением R_i

где μ — коэффициент усиления лампы; S — крутизна лампы; U_c — напряжение на управляющей сетке лампы; R_i - выходное сопротивление лампы.

Каскаду, показанному на рис. 10, соответствует эквивалентная схема на рис. 12,а, а каскаду на рис. 11 — 13,а. Дальнейшее упрощение приводит к схемам, изображенным на рис. 12,6, 13,6, 13,в соответственно.

В схеме, показанной на рис. 10, лампы соединены по переменному току последовательно — назовем этот каскад последовательным (с общим током по вторичным обмоткам). В схеме на рис. 11 лампы и по переменному току соединены параллельно нагрузке, назовем этот каскад параллельным (с общим напряжением на вторичных обмотках). Из полученных эквивалентных схем достаточно просто получить основные расчетные соотношения [7], которые сведены в табл. 2.

Выбор типа каскада во многом зависит от используемых ламп. Для выходных ламп с относительно большим выходным сопротивлением и высоким μ целесообразно использовать параллельный каскад. Для мощных выходных триодов может быть целесообразным использование последовательного каскада. Так как в этом случае μ_е вдвое больше, это облегчает возбуждение выходных ламп. В симметричных каскадах с разделенной нагрузкой можно с успехом использовать стандартные выходные трансформаторы, предназначенные для однотактных каскадов.

Обратная связь в каскаде с разделенной нагрузкой

Небольшая модификация последовательного каскада, показанная на рис. 14, позволяет улучшить его общие параметры. Перенос выходных обмоток и нагрузки в цепи катодов ламп дает ряд преимуществ.

Возрастает общая индуктивность намагничивания, так как последовательно с первичной обмоткой дополнительно включается выходная. Выходной трансформатор становится автотрансформатором, что в общем случае позволяет уменьшить его габариты. В этом каскаде можно использовать стандартные трансформаторы без дополнительной обмотки.

Кроме того, в катодной цепи каскада появляется местная обратная связь с соответствующим изменением параметров каскада. Конечно, используя стандартные трансформаторы, мы не можем произвольно регулировать глубину этой обратной связи, но зато она "бесплатная". Здесь перспективно использование трансформаторов с большим числом отводов на вторичной обмотке, тогда катоды ламп подключают к выводам, предназначенным для наиболее высокоомной нагрузки, а фактическую нагрузку, в зависимости от ее сопротивления, к одноименным промежуточным отводам.

В каскаде по этой схеме постоянная составляющая напряжения на нагрузке практически очень мала. Это обусловлено низким активным сопротивлением выходных обмоток (не более нескольких ом) и фактической разницей тока покоя ламп. Практически это напряжение не превышает 5... 15 мВ.

Еще одним побочным результатом такого включения нагрузки является дифференциальный выход, хотя последовательный вариант каскада также обеспечивает это свойство.

Как было сказано выше, в каскадах с разделенной нагрузкой можно использовать любые типы ламп и различные типы местной обратной связи. В качестве примера на рис. 15 показано включение пентодов с катодной обратной связью, а на рис. 16 и 17 — варианты ультралинейного включения (лучевых тетродов) пентодов [8, 9]. Благодаря местной обратной связи в каскаде с экранированными лампами можно существенно повысить линейность характеристик ламп и трансформаторов.

Проверка теоретических предположений проведена на трех макетах, собранных по схемам, показанным на рис. 10, 11 и 14. Базовый однотактный каскад на лампе 6П1П соответствует схеме, показанной на рис. 1; во всех случаях использовались одни и те же лампы и выходные трансформаторы. Сопротивление нагрузки и режим ламп были выбраны исходя из получения минимального уровня гармоник при заданной мощности. Численные результаты измерений приведены в табл. 3, а спектры выходного сигнала — на рис. 18—21 соответственно.

Как видно из результатов, даже использование случайно выбранных ламп и трансформаторов позволяет резко снизить уровень четных гармоник и повысить линейность каскада. Спектр выходного сигнала трансформаторного каскада с разделенной нагрузкой подобен спектру обычного двухтактного каскада. Наилучшие результаты, как и предполагалось, обеспечивает каскад, охваченный местной обратной связью, эффективно снижающей нечетные гармоники искажений.

Увеличить

ЛИТЕРАТУРА

7. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа, 1978.
8. Hufler D., Keroes Н. I. Ultra Linear Amplifiers, US Patent 2,710,312.
9. Menno ven der Veen. Новые схемы двухтактных ламповых усилителей мощности, 1999. — Перевод с англ. — Интернет-издание: Nextube, <http://www.next-power.net/ next-tube/ru/srticles.php3>.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 3 номер 2004 год