§ 11. Выходная мощность УРУ и способы ее увеличения

Выходная мощность УРУ зависит от уровня входного сигнала. Поэтому при рассмотрении выходной мощности как энергетического показателя УРУ следует задать дополнительные условия, которым она соответствует.

Здесь и в дальнейшем под выходной мощностью УРУ будем понимать выходную мощность в критическом режиме усилителя при полном использовании ламп по току в левой части анодно-сеточной характеристики для номинального экранного напряжения.

Указанные условия подразумевают работу ламп без токов первых сеток. Такое определение выходной мощности обусловлено тем, что при наличии токов первых сеток существенно увеличиваются нелинейные искажения усиливаемого сигнала и резко возрастает затухание в сеточной линии. Последнее приводит к значительному ухудшению частотных характеристик УРУ.

Выражение для выходной мощности может быть приведено к следующему виду:

где Р_n = 0,5α₁I_mU_н - мощность, отдаваемая n-й лампой УРУ.

Найдем коэффициент использования ламп УРУ по номинальной мощности. Под номинальной мощностью используемых ламп Р_ном будем понимать колебательную мощность, которую может отдать лампа в критическом режиме при номинальном постоянном анодном напряжении Е_{а ном} и при полном использовании ее по току в левой части анодно-сеточной характеристики:

Мощность, отдаваемая n-й лампой, связана с номинальной мощностью ламп простым соотношением:

где χ_n - коэффициент использования n-й лампы по номинальной мощности,

Используя (63) и (64), получим выражение для общего коэффициента использования ламп УРУ по номинальной мощности:

Поскольку χ_n ≤ 1, предельное значение χ равно 0,5. Следовательно, выходная мощность УРУ не превышает половины суммарной номинальной мощности используемых ламп:

Это является существенным недостатком УРУ с однородной анодной линией. Указанный недостаток, как и малый к. п. д. УРУ, обусловлен низким коэффициентом использования по мощности первых ламп.

Практически не удается в схеме УРУ получить режим работы последней лампы близким к номинальному (т. е. χ_n = 1) даже при весьма большом числе ламп n, так что выходная мощность усилителя ограничивается другим условием, которое будет рассмотрено ниже. Это условие связано с важным энергетическим параметром лампы - допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде P_{a доп}.

В наиболее тяжелых тепловых условиях находится первая лампа, для которой рассеиваемая на аноде мощность на некоторых частотах даже превышает мощность, подводимую от источника анодного питания (см. § 7). Поэтому мощность, подводимая от источника питания к первой лампе

откуда величина постоянного анодного напряжения

Для большинства генераторных ламп постоянное анодное напряжение, полученное из последнего неравенства, существенно меньше номинального анодного напряжения. Следовательно, мощность, отдаваемая последней лампой при питании анодов всех ламп УРУ одинаковым напряжением, также будет существенно меньше номинальной мощности этой лампы.

Если пренебречь колебательной мощностью, рассеиваемой на аноде первой лампы ΔP_a1, определяемой выражением (31) (ΔР_a1 обычно на порядок меньше, чем Р₀₁), то максимально допустимая мощность, подводимая к УРУ от источника анодного питания при одинаковых токах всех ламп и одинаковых анодных напряжениях,

Следовательно, выходная мощность УРУ ограничена условием:

где η_макс - максимальный к. п. д., который может быть достигнут при заданном числе ламп. Отсюда выходная мощность УРУ, приходящаяся на одну лампу,

а коэффициент использования ламп по мощности

Учитывая предельное значение к. п. д. из (62) и то, что обычно Р_{а доп}/P_ном ≤ 1, получим для двухтактной схемы УРУ в классе В:

На практике χ лежит в пределах 0,2-0,25. Столь малые значения χ обусловливают низкий общий к. п. д. усилителя, поскольку вспомогательные затраты энергии для питания накала ламп, цепей экранных сеток оказываются соизмеримыми с выходной мощностью УРУ.

Однако имеется возможность увеличить коэффициент использования ламп по номинальной мощности, приблизив его к пределу, задаваемому неравенством (67). Эта возможность заключается в индивидуализации режимов работы отдельных ламп.

Один из способов такой индивидуализации предложен в [18] и нашел применение в мощном УРУ, описанном в работе [45]. Сущность этого способа заключается в том, что аноды первых ламп УРУ питаются пониженным постоянным напряжением. Это возможно при сохранении критического режима УРУ в том случае, если заданная полоса частот начинается не с нуля (что обычно и бывает на практике). Постоянное анодное напряжение для каждой лампы выбирается таким, чтобы обеспечить критический режим ее работы для той частоты рабочего диапазона, на которой колебательное напряжение на аноде максимально. Так, например, из графика рис. 15 видно, что при n = 15 постоянное анодное напряжение для пятой лампы может быть выбрано равным Е_а5 ≈ е_{а мин} + 0,5α₁I_mρ_а⋅7. При этом будет гарантирован критический или недонапряженный режим работы лампы в полосе частот, соответствующей 0,06 ≤ х_а1 ≤ 0,96. Такое напряжение Е_с1 существенно меньше, чем постоянное анодное напряжение для последней лампы E_a15 = е_{а мин} + 0,5α₁I_mρ_а⋅15, что обеспечивает как уменьшение тепловых потерь на аноде первой лампы, так и возрастание ее к. п. д., а следовательно, и к. п. д. всего усилителя.

Рассмотрим более подробно этот способ увеличения выходной мощности УРУ для случая, когда последняя лампа работает в номинальном режиме, используя формулы § 7.

Величина постоянного анодного напряжения на аноде k-й лампы для обеспечения предельно допустимого теплового режима ее анода определится из условия:

где P_kмин - минимальная мощность, отдаваемая k-й лампой в рабочем диапазоне частот (она может быть отрицательной).

Учитывая выражение (20), получим

где Рn = 0,25α₁²I_m²nρ_а - мощность, отдаваемая последуй лампой, равная номинальной, а Re_мин(U̇_k1) определяется из формулы (29) или (30).

С другой стороны, величина постоянного анодного напряжения должна выбираться из соображений обеспечения недонапряженного или критического режима работы всех ламп:

Решая неравенство (72) относительно U_1k и подставляя Е_аk из (71), получим

Правая часть неравенства зависит от параметров лампы и ее номера и не зависит от нормированной частоты х_а1 = f₁/f_га. Левая часть зависит от х_а1 в соответствии выражениями (27) и (28), причем ее максимальное значение (при х₁ = 0) для всех ламп одинаково и равно:

Для последних ламп левая часть (73) для всех значений х_а1 меньше правой. Это означает, что для указанных ламп допустимая мощность, рассеиваемая анодом, не ограничивает величину постоянного анодного напряжения, так что для этих ламп анодное напряжение может быть выбрано равным

Однако с уменьшением номера лампы правая часть (73) уменьшается и для некоторого k = k₀ она становится меньше 0,5α₁I_mnρ_a. Неравенство (73) не будет выполняться при х_а1 = 0. Но оно будет выполняться, начиная с некоторого х_а1н, поскольку левая часть (73) зависит от x₁ (рис. 15). Так, например, если правая часть (73) соответствует для k = 5 уровню, отмеченному на рис. 15 прямой линией 1, то неравенство (73) будет выполняться лишь в полосе частот Δx_k = х_а1в - х_а1н.

Постоянное анодное напряжение для ламп с номером k следует определять из формулы (71). При этом нормированная полоса частот Δх_k = Δf_k/f_га в которой будет выполняться (73), для каждой лампы будет различной. Определять полосу для каждой лампы целесообразно с помощью графика зависимости U_k1 от х_а1, который можно построить по формулам (26)-(28). Если на этот график нанести прямую, соответствующую уровню разности E_ak - e_{a мин} для данной лампы, то полосу можно определить подобно тому, как это сделано на рис. 15.

Если недопустимо, чтобы лампы УРУ работали в перенапряженном режиме (например, при высоких требованиях к линейности), то за рабочую полосу усилителя следует принять

где |Δx_k|_мин - значение относительной полосы для той лампы, для которой эта полоса наименьшая.

Питание первых ламп пониженным анодным напряжением обеспечивает также и увеличение к. п. д., так как полученный к. п. д. превышает значение к. п. д. при питании ламп УРУ от одного источника анодного напряжения.

Однако применение описанного способа увеличения выходной мощности и к. п. д. УРУ ограничено необходимостью нескольких источников анодного питания (или гасящих сопротивлений), что существенно усложняет схему УРУ и его конструкцию.