§ 10. Особенности работы двухтактной схемы УРУ

Двухтактная схема усилителей в силу свойственных ей преимуществ нашла широкое применение. На рис. 20, а приведена схема двухтактного УРУ. Напряжение между точками а - а усилителя содержит только нечетные гармоники. Если каждое из плеч работает в классе В (с углом отсечки θ = 90°), то напряжение между точками а - а синусоидально. Это важное свойство двухтактной схемы позволяет устранить один из недостатков однотактного УРУ при работе с отсечкой анодного тока - несинусоидальность выходного напряжения в первой половине диапазона частот.

Рис. 20. Принципиальная схема двухтактного УРУ (а) и виды ее нагрузок (б и в)

Однако для обеспечения высокого значения к. п. д. необходимо, чтобы не только выходное напряжение усилителя, но и напряжения на анодах всех ламп также были близки к синусоидальным, так как наличие неослабленных высших гармоник в анодном напряжении ламп приведет к уменьшению к. п. д. усилителя.

Рассмотрим вопрос о влиянии высших гармоник на режим работы ламп двухтактного УРУ, пренебрегая несимметрией схемы и всеми гармониками выше второй.

Очевидно, что на частотах f₁ > 0,5f_га амплитуды высших гармоник, как и в однотактном усилителе, будут очень малыми, так что напряжения на анодах всех ламп можно считать гармоническими.

На частотах f₁ < 0,5f_га переменные напряжения на анодах ламп в сильной степени определяются способом соединения усилителя с нагрузкой. Рассмотрим возможные способы выполнения этого соединения.

1. Точки а - а усилителя соединены непосредственно с концами симметричной нагрузки (рис. 20, б). В этом случае для согласования каждого плеча усилителя по первой гармонике сопротивление нагрузки должно удовлетворять соотношению: R_н = 2ρ_a. Поскольку точки а - а эквипотенциальны для четных гармоник, токи этих гармоник через R_н протекать не будут. Следовательно, по второй гармонике каждое плечо усилителя будет работать в режиме холостого хода, т. е. волна второй гармоники будет полностью отражаться на выходе и коэффициент отражения для второй гармоники р̇₂ = 1.

2. Точки а - а связаны с нагрузкой с помощью идеального широкополосного симметричного трансформатора (рис. 20, в). В этом случае сопротивление нагрузки для согласования плеч по первой гармонике R_н = 2ρ_аw², где w - коэффициент трансформации на оба плеча. Токи четных гармоник каждого плеча будут протекать через первичную обмотку трансформатора в разных направлениях и напряжение второй гармоники на каждом из плеч трансформатора будет равно нулю, что эквивалентно режиму короткого замыкания, т. е. р̇₂ = - 1.

3. Наиболее общий случай |р̇₂| ≤ 1. К этому случаю придем при учете неидеальности трансформатора (паразитных индуктивностей, емкостей и сопротивлений), а также при включении между средней точкой трансформатора и "землей" (рис. 20, в) сопротивления ż_н2. Очевидно, что это сопротивление не повлияет при симметрии схемы на режим усилителя по первой гармонике, так как ток первой гармоники через него равен нулю.

Во всех указанных случаях анодная линия согласована со стороны балластной нагрузки как для первой, так и для второй гармоники.

Для любой схемы выхода усилителя комплексная амплитуда напряжения второй гармоники на аноде k-й лампы с учетом прямой и отраженной на выходе усилителя волны определится выражением:

где р̇₂ - коэффициент отражения второй гармоники на выходе каждого плеча УРУ; U̇_2н - комплексная амплитуда напряжения второй гармоники на выходе усилителя при р̇₂ = 0, определяемая формулой (40); U̇_2к - комплексная амплитуда напряжения прямой волны второй гармоники на аноде k-й лампы при р̇₂ = 0.

Пренебрегая обратной волной в (42) и частотной зависимостью коэффициентов А2 и В2, последнее выражение в области линейности фазовой характеристики (а̇₂ ≈ 2а̇₁ = 2ġ₁) можно привести к виду:

Из полученного выражения видно, что амплитуда второй гармоники напряжения на аноде k-й лампы двухтактной схемы зависит от модуля и фазы коэффициента отражения р̇₂, т. е. от способа соединения с нагрузкой. Рассмотрим частные случаи цепи нагрузки.

При трансформаторной схеме выхода (рис. 20, в) р̇₂ = - 1 и

Если выполняется условие:

то амплитуда напряжения второй гармоники резко возрастает по сравнению со случаем усилителя, согласованного на выходе по второй гармонике, поскольку

Значения x_a1, для которых удовлетворяется (54), можно получить из выражения:

где l - любое целое нечетное число.

Подставив в выражение (55) значение а₂ и а_с2 из (9) и (12), получим

Так для последней лампы (k = n) решением этого уравнения будет х_а1 = 0,35; для k = (n - 1) - значения: х_а1 = 0,3; х_а1 = 0,15; х_а1 = 0,4; для k = n - 2 число решений увеличивается.

Мгновенное значение напряжения на аноде последней лампы (k = n) при выполнении (55) определяется в соответствии с (45) и (53) выражением:

На рис. 18, в приведена диаграмма напряжения на аноде последней лампы для двухтактной схемы УРУ при х_а1 = 0,35. Из сравнения рисунков 18, б и в видно, что при одинаковой амплитуде первой гармоники максимальное мгновенное значение отрицательной полуволны переменного напряжения на аноде k-й лампы в двухтактной схеме значительно больше, чем в однотактной. Поэтому анодное напряжение для обеспечения критического режима последней лампы на этой (а следовательно, и критического режима УРУ) равно

Сравнивая (50) и (56), нетрудно убедиться, что к. п. д. по первой гармонике каждого плеча и всей схемы будет меньше к. п. д. каждого плеча при работе по однотактной схеме. Если Е_а выбрать меньшим, то на некоторых частотах отдельные лампы будут работать в перенапряженном режиме.

Подобное явление будет иметь место и для другого частного случая - бестрансформаторной схемы выхода (рис. 20, б). Значения х_а1, для которых амплитуда вторых гармоник резко возрастет, в этом случае должны удовлетворять уравнению:

Отметим, что в области очень низких частот диапазона, где обратной волной пренебрегать нельзя и напряжения на анодах всех ламп примерно одинаковы, выражение (53) несправедливо. Для этого случая в выражении (53) следует заменить k на n. Тогда получим при х_с2 → 0 × (а̇₂ → 0; а̇_с2 → 0) для трансформаторной схемы U_2кр = 0, а для бестрансформаторной схемы U_2кр = 2U_н. Следовательно, трансформаторная схема выхода обеспечивает синусоидальность напряжения на анодах ламп в низкочастотной части диапазона, в то время как для бестрансформаторной схемы уровень второй гармоники при х_a2 → 0 возрастает.

Таким образом, простые двухтактные схемы УРУ хотя и позволяют в классе В на выходе усилителя получить синусоидальное напряжение, но требуют повышенного напряжения питания Е_а для обеспечения критического режима, т. е. имеют очень низкий к. п. д. Поэтому необходимо предусмотреть меры для уменьшения или полного подавления напряжения 2-й гармоники в анодной линии каждого плеча во всем диапазоне частот. Рассмотрим некоторые способы уменьшения напряжения 2-й гармоники в анодных линиях усилителя.

Из выражения (52) видно, что при р̇₂ = 0 напряжение 2-й гармоники на анодах ламп будет определяться только прямой волной и каждое плечо будет работать в таком же режиме, как при однотактной схеме. Для осуществления р̇₂ = 0 достаточно среднюю точку первичной обмотки трансформатора соединить с "землей" через сопротивление ż_н2 = 0,5ρ_а (рис. 20, в). К. п. д. усилителя в этом случае определится выражением (51).

Однако в двухтактной схеме УРУ можно не только устранить отраженную волну второй гармоники, но и значительно уменьшить прямую волну во всем диапазоне частот в анодной линии каждого плеча (на анодах всех ламп). Для этого необходимо осуществить связь между анодными линиями обоих плеч не только на выходе, но и по всей "длине" анодной линии. Рассмотрим некоторые возможные способы осуществления такой связи.

1. Катушки анодных линий разных плеч связаны индуктивно с одинаковым по всей "длине" коэффициентом связи (рис. 21, а). Напряжение первой гармоники на каждой из индуктивностей (рис. 21, б)

где I₁ - ток первой гармоники через каждую из катушек; L_а - реальная индуктивность каждой катушки линии; L₁ - эквивалентная индуктивность ячейки одной линии для первой гармоники; М и k_св - соответственно коэффициент взаимной индуктивности и коэффициент связи между катушками линий.

Поскольку токи вторых гармоник имеют в обеих линиях одинаковую фазу, напряжение второй гармоники на каждой из катушек

где I₂ - ток второй гармоники через каждую катушку; L₂ - эквивалентная индуктивность ячейки одной линии для второй гармоники.

Полученные выражения (57) и (58) позволяют привести схему рис. 21, а, т. е. и схему всего усилителя, к эквивалентной схеме без связи между линиями, причем величины эквивалентных индуктивностей схемы различны для первой и второй гармоник. Величина эквивалентной индуктивности для первой гармоники L₁ определяется требуемым волновым сопротивлением ρ_а и граничной частотой f_га. Поэтому при расчетах следует пользоваться эквивалентной индуктивностью ячейки для первой гармоники L₁. Так как L₂ < L₁, эквивалентное волновое сопротивление ρ_a2 линии для второй гармоники будет меньше, чем для первой. Следовательно, вторая гармоника будет создавать на линиях меньшие напряжения и диаграмма напряжений на анодах ламп приблизится к синусоидальной.

Рис. 21. Схема секции двухтактного УРУ при индуктивной связи между катушками анодных линий

2. Связь между анодными линиями можно осуществлять согласно схеме рис. 22. В этом случае между анодом каждой лампы и "землей" будут включены эквивалентные индуктивности, равные для первой и второй гармоник соответственно L₁ = L(1 + k_св) и L₂ = L(1 - k_св).

Рис. 22. Схема введения связи между анодными линиями с помощью дополнительных индуктивностей

С целью малого шунтирования анодной линии на первой гармонике L₁ должна быть по возможности большей, a L₂ должна иметь как можно меньшее значение, чтобы сильно шунтировать линии по второй гармонике. Из этих соображений должны удовлетворяться следующие неравенства:

или

или

где ω_н и ω_в соответственно нижняя и верхняя частоты диапазона.

Очевидно, что указанные требования противоречивы, поскольку практически осуществить k_св = 1 невозможно. Это является причиной узкополосности рассматриваемого метода подавления второй гармоники.

3. Значительное уменьшение прямой волны второй гармоники в анодных линиях двухтактного УРУ можно получить путем введения искусственного затухания с помощью сопротивлений R_г, включенных по схеме рис. 23, а [53]. Очевидно, что при симметрии схемы эти сопротивления не будут влиять на параметры линий по первой гармонике, поскольку токи первых гармоник через них протекать не будут. По второй гармонике схема звена анодной линии одного плеча двухтактного усилителя (рис. 23, а) может быть приведена к эквивалентной схеме (рис. 23, б). Прямая волна второй гармоники, распространяясь по линии каждого плеча усилителя, состоящей из таких звеньев, будет затухать. В соответствии с формулой (42) амплитуда напряжения прямой волны второй гармоники на аноде k-й лампы при характеристическом согласовании анодной линии определяется выражением:

где постоянная распространения а̇₂ будет уже не мнимой величиной, а комплексной. Вещественная часть а̇₂, обусловленная наличием в эквивалентной схеме рис. 23, б активного сопротивления, будет положительным числом [2].

Рис. 23. Схема введения искусственного затухания для волн четных гармоник в двухтактном УРУ (а) и эквивалентная схема звена анодной линии для четных гармоник (б)

За счет комплексности а̇₂ модуль множителя е^-ȧ₂(k-1) в (59) будет меньше единицы, в результате чего амплитуда U_2k уменьшается.

Для обеспечения наиболее эффективного затухания прямой волны второй гармоники сопротивление R_г должно быть выбрано таким, при котором обеспечивается минимальное значение модуля

(при 0 ≤ х_а2 ≤ 1). Из теории фильтров известно [2], что для звена, изображенного на рис. 23, б,

Если подставить в (60) значение сопротивлений ż₁ и ż₂ согласно схеме рис. 23, б, учитывая при этом, что

ω₂L_ka = 2х_а2ρ_а и 1/ω₂C_ka = ρ_а/2х_а2 (см. § 5), можно получить выражение:

где β = 2R_г/ρ_a.

Для определения оптимального β (с точки зрения эффективности затухания второй гармоники) были рассчитаны значения |е^-а̇₂| для m = 1,4 и различных величин параметра β. По результатам расчетов построены графики, представленные на рис. 24. Из этих графиков видно, что наиболее сильному затуханию второй гармоники соответствует значение параметра β = 1, т. е. R_г = 0,5ρ_а.

Рис. 24. Графики зависимости коэффициента затухания |е^-а̇₂| от относительной частоты второй гармоники х_а2 для различных β

Следует иметь в виду, что рассматриваемый метод может быть малоэффективным в области очень низких частот. Поэтому если заданный диапазон включает в себя очень низкие частоты, то наиболее благоприятной является схема выхода усилителя рис. 20, в, поскольку выходной трансформатор обеспечит подавление второй гармоники в нижней части диапазона.

На практике не всегда удается реализовать схему рис. 23, а. Это обусловлено тем, что емкостью ячейки часто является выходная емкость лампы, которая одним концом подключена к "земле". В этих случаях можно в анодную линию включать дополнительные звенья согласно рис. 25, а и в них вводить затухание. При этом эффективность подавления второй гармоники естественно будет зависеть от числа дополнительных звеньев. Для обеспечения синфазного сложения напряжений от разных ламп, сеточная линия в этом случае также должна содержать дополнительные звенья.

Рис. 25. Схема введения дополнительных звеньев в анодную линию с затуханием для четных гармоник (а) и схема с индуктивностью для повышения эффективности подавления четных гармоник (б)

Для увеличения затухания волн четных гармоник можно последовательно с сопротивлением R_г включить в ячейки линий индуктивность L по схеме рис. 25, б [32]. Применение таких индуктивностей оказывается особенно эффективным в том случае, когда емкость ячейки линии состоит из параллельного соединения выходной емкости лампы С_вых и дополнительной емкости ΔС_а (например, в УРУ с неоднородной линией, о которых речь пойдет ниже). Цепочка R_г - L включается в ветвь дополнительных конденсаторов (рис. 25, б), причем резонансная частота последовательного контура ΔС_а - 2L, включенного в эквивалентную схему ячейки одного плеча, выбирается равной

а сопротивление R_г = (0,5 ÷ 0,25)ρ_а [32].

Как показывают расчеты и эксперимент, введение искусственного затухания для волн четных гармоник в сочетании с согласованием плеч по четным гармоникам позволяет получить в двухтактной схеме класса В практически синусоидальное напряжение на анодах выходных ламп в значительной части диапазона частот.

Рассмотрим еще одну важную особенность двухтактной схемы УРУ.

Допустим, что напряжения первых гармоник U^⋅I_1н и ^⋅II_1н на выходе разных плеч двухтактного УРУ (рис. 20, а) не противофазны и отличаются по модулю (рис. 26). Подобная несимметрия в двухтактной схеме может возникнуть, например, при несимметрии возбуждения или за счет неидентичности ламп. В этом случае напряжения на выходе анодных линий разных плеч всегда могут быть разложены на две составляющие (рис. 26):

Рис. 26. Разложение выходных напряжений плеч двухтактного УРУ на двухтактные и однотактные составляющие

При этом составляющие разложения удовлетворяют условиям:

Напряжения назовем двухтактными составляющими, - однотактными. При идеальной симметрии двухтактной схемы

Очевидно, что таким же образом могут быть разложены и напряжения на анодах соответствующих ламп разных плеч двухтактного УРУ.

Так как однотактные составляющие напряжений первых гармоник синфазны, они (как и волны четных гармоник) будут отражаться на выходе УРУ по схеме рис. 20, а, причем коэффициент отражения в зависимости от схемы выхода (рис. 20, б или 20, в) будет равен соответственно или +1, или -1. В результате интерференции отраженных волн однотактных составляющих с прямыми волнами на некоторых частотах результирующие напряжения на анодах отдельных ламп могут резко возрастать, что приведет к перенапряженности режима работы ламп или к снижению к. п. д. УРУ.

Для подавления волн однотактных составляющих можно использовать те же схемные меры, которые применяются для подавления четных гармоник. В частности, для согласования плеч УРУ (для однотактных волн) к средней точке первичной обмотки трансформатора можно подключать сопротивление ż_н2 = ρ_а/2 (рис. 20, в). Введение сопротивлений R_г по схемам рис. 23, а и 25 обеспечит затухание волн однотактных составляющих в анодных линиях.

Таким образом, схемные меры для подавления четных гармоник, описанные выше, являются также эффективными мерами для симметрирования двухтактной схемы, что обеспечивает возможность повышения к. п. д. и дальнейшего уменьшения четных гармоник в нагрузке.

Следует отметить, что включение сопротивлений в общую ветвь емкостей линий разных плеч целесообразно и для сеточных линий. Это обеспечивает дополнительное симметрирование двухтактной схемы и уменьшение возможных четных гармоник напряжений на сетках ламп

Для иллюстрации эффекта, достигаемого включением сопротивлений R_г и ż_н2, на рис. 27 представлены экспериментальные частотные характеристики двухтактного УРУ в классе В с числом ламп в плече n = 10 и трансформа торным выходом [32]. УРУ имел неоднородную анодную линию (см. § 16), так что в последние 5 ячеек этой линии включались дополнительные конденсаторы. Кривая на рис. 27 - зависимость выходного напряжения УРУ U_1н от х_а1 в двухтактной схеме без затухания для четны гармоник. В средней части диапазона наблюдается существенное уменьшение напряжения. Это обусловлено тем, что на частотах, соответствующих "провалу" частотной характеристики, форма анодного напряжения на послед них лампах имела вид, изображенный на рис. 18, в, из-за интерференции прямой и отраженной волн 2-й гармоники. Кроме того, на этих частотах наблюдалось увеличение напряжения 1-й гармоники за счет несимметрии схемы. Поскольку постоянное анодное напряжение выбиралось без учета этих обстоятельств, последние лампы работали в перенапряженном режиме.

Рис. 27. Экспериментально полученная зависимость выходного напряжения двухтактного УРУ U_1н от относительной частоты первой гармоники x_a1 = f₁/f_га без мер по подавлению четных гармоник (1) и с сопротивлениями в общих ветвях емкостей анодных линий (2)

При включении в ветви дополнительных конденсаторов последних пяти звеньев анодной линии сопротивлений R_г по схеме рис. 23, а и при согласовании плеч УРУ по четным гармоникам сопротивлением z_н2 = 0,5ρ_а провал в частотной характеристике почти полностью устранялся (рис. 27, кривая 2). Переменное анодное напряжение на анодах последних ламп оказывалось весьма близким к синусоидальному.

Таким образом, в двухтактной схеме УРУ с трансформаторным выходом при работе в классе В как выходное напряжение, так и напряжение на анодах последних ламп может быть весьма близким к гармоническому во всем диапазоне частот при импульсном токе ламп.

Следовательно, величина постоянного анодного напряжения откуда к. п. д. усилителя

где ξ_n = U_н1/E_a = U_n/E_a - коэффициент использования анодного напряжения для последней лампы УРУ.

Сравнивая последнее выражение с (18), убеждаемся, что к. п. д. двухтактного УРУ может быть увеличен в классе В по сравнению с классом А в γ раз (γ = 0,5π), т. е. столь же эффективно, как и в резонансном усилителе. Поэтому мощные УРУ целесообразно строить по двухтактной схеме в классе В с применением специальных мер по подавлению волн четных гармоник и по симметрированию. Все дальнейшее изложение будет вестись применительно к этой схеме.

Однако предельное значение к. п. д. (при qn → ∞) составляет γ/4 ≈ 0,39, что в два раза ниже, чем для резонансных усилителей при θ = 90°. Причиной низкого предельного значения к. п. д. по-прежнему является низкий коэффициент использования анодного напряжения для первых ламп усилителя.