§ 16. Выходная мощность УРУ с подавлением обратной волны и способы ее увеличения

Определим выходную мощность^* УРУ с полным подавлением обратной волны на лампах одного типа. Учитывая, что в таком усилителе все лампы отдают одинаковую мощность, выражение (133) можно привести к виду:

^* (Определение выходной мощности как энергетического показателя УРУ см. в § 11.)

где Р₁ = 0,5α₁I_mU_н - мощность, отдаваемая каждой лампой.

Коэффициент использования каждой лампы по номинальной мощности

Поскольку все лампы одинаково используются по мощности, общий коэффициент использования ламп УРУ по мощности χ = χ₁ = ... = χ_n. Теоретически коэффициент χ_n может быть сколь угодно близок к единице, поэтому предельное значение χ также равно единице.

Однако при высоких f_гa (порядка 20-30 Мгц и выше) реальные значения χ₁, а следовательно, и χ, для существующих ламп оказываются значительно меньше единицы. Так, для весьма широкополосной лампы ГУ-33Б (см. приложение) рассчитанное по формуле (136) значение к для f_гa = 30 Мгц составляет 0,169. Причина низкого χ заключается в невозможности получения при широких полосах частот больших колебательных напряжений.

Допустимая мощность, рассеиваемая анодом лампы, Р_aдоп, для рассмотренного усилителя обычно не накладывает ограничений на величину выходной мощности, поскольку даже при полном использовании ламп по току мощность, рассеиваемая анодами, мала по сравнению с Р_aдоп.

Перейдем к УРУ с частичным подавлением обратной волны. В этом усилителе имеется возможность существенного увеличения χ за счет того, что колебательное напряжение на анодах последних ламп может быть значительно увеличено.

Выражение (120) для выходной мощности такого УРУ можно привести к виду:

где - мощность, отдаваемая последними (n₂ + 1) лампами.

Учитывая последнюю формулу, нетрудно получить выражение для χ:

где χ_n - коэффициент использования по номинальной мощности выходных n₂ + 1 ламп;

Таким образом, увеличением числа ламп n₁ значение χ_n в принципе может быть приближено к единице даже при весьма широких полосах частот. Если при этом n₂ >> n₁, то общий коэффициент использования ламп УРУ по мощности также может быть близким к единице.

Реально на величину χ_n, а следовательно, и χ накладывают ограничение тепловые потери на анодах ламп. Поскольку первые n₁ лампы УРУ работают в таком же режиме, как и в n₁-ламповом усилителе с однородной линией, на аноде первой лампы на некоторых частотах полностью рассеивается мощность, подводимая от источника анодного питания. Если все лампы УРУ одинаково используются по току и питаются одинаковым постоянным напряжением Е_а, величина последнего ограничена выражением, аналогичным (68):

Это означает, что выходное напряжение УРУ и число ламп также ограничены:

Максимально возможное U_н, определяемое из неравенства (141), для существующих генераторных ламп обычно меньше колебательного напряжения на аноде ламп в номинальном режиме, в результате чего не удается получить режим работы последних ламп, близкий к номинальному.

Если пренебречь колебательной мощностью, рассеиваемой на аноде первой лампы ΔP₀₁, определяемой выражением (31), то максимально допустимая мощность, подводимая к УРУ от источника анодного питания Р₀, при одинаковых токах ламп и одинаковых анодных напряжениях определится с учетом (140) в виде:

где Р₀₁ = α₀I_mE_a - мощность, подводимая к одной лампе УРУ от источника анодного питания.

Следовательно, номинальная выходная мощность УРУ ограничена условием:

где η_макс - максимальный к. п. д., который может быть достигнут при заданном числе ламп.

Используя неравенство (143), можно получить

Из сравнения (70) и (144) видно, что УРУ с частичным подавлением обратной волны при одинаковом использовании ламп по току может обеспечить больший χ, чем УРУ с однородной линией, поскольку он может обеспечить больший к. п. д.

Выражение (144) показывает, что для обеспечения максимального значения χ необходимо при заданном числе ламп построить усилитель таким образом, чтобы к. п. д. его был максимален, а для этого необходимо выбрать параметр h = h_опт в соответствии с выражением (127). При этом может оказаться, что произведение [n₁(1 + p_n1)]_опт, определенное из (125) для h = h_опт больше, чем предел, устанавливаемый неравенством (142) при максимальном использовании ламп по току. Это означает, что для обеспечения нормального теплового режима первой лампы ток этой лампы I_m (а следовательно, и ток всех ламп, поскольку рассматривается случай одинакового использования ламп по току) должен быть уменьшен до значения, при котором [n₁(1 + р_n1)]_опт, полученное из (125), совпадает с пределом, устанавливаемым неравенством (142).

Для пояснения последнего вывода, а также для оценки реальных значений χ рассмотрим в качестве примера УРУ на лампах типа ГУ-33Б. Будем считать, что усилитель собран по двухтактной схеме, работающей в классе В (θ = 90°; γ = 1,57; α₀ = 0,318; α₁ = 0,5), и содержит в каждом плече по 12 ламп. По параметрам лампы, приведенным в приложении, определяем при f_га = 30Мгц:

При полном использовании ламп по току имеем:

Поскольку n₁(1 + p_n1) близко к целому числу, полагаем n₁ = 2, р_n1 = 0. При этом выходная мощность усилителя

где n₂ = n - n₁ = 10, и к. п. д.

Учитывая, что Р_ном = 165 вт, имеем χ = Р_н/n Р_ном ≈ 0,3.

Однако имеется возможность увеличить к. п. д. УРУ, выбрав n₁ из соотношения (125) для h = h_опт:

В этом случае η_макс = 0,43 и от усилителя можно получить мощность Р_н = nР_{a доп}η_макс = 770 вт. Покажем это.

Выберем n₁ = 5, р_n1 = 0, n₂ = 7. Для того чтобы мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы, не превышала допустимую, необходимо уменьшить ток всех ламп I_m. Величину тока найдем, решая (142) относительно I_m:

Выбираем I_m = 0,46а. Тогда

где ξ_n1 = U_н/E_a = 0,69.

Коэффициент использования ламп по номинальной мощности χ ≈ 0,38.

Из приведенного примера видно, что в некоторых случаях целесообразно не полностью использовать лампы УРУ по току, за счет чего можно увеличить к. п. д. и улучшить использование ламп по мощности. При этом χ оказывается существенно выше, чем для УРУ с однородной линией (см. § 11) и для УРУ с полным подавлением обратной волны (см. предыдущий пример этого параграфа).

Однако реальные значения χ для усилителя с частичным подавлением обратной волны при одинаковых токах ламп и одинаковом для всех ламп анодном напряжении (χ = 0,3 ÷ 0,4) далеки от предельного значения (х → 1). Это связано, с одной стороны, с тем, что число ламп УРУ практически ограничено (х → 1 можно получить лишь при χ_n → 1 и n₂ >> n₁) и, с другой стороны, с ограничениями, обусловленными тепловым режимом работы первой лампы.

Имеется возможность уменьшить влияние последнего ограничения. Действительно, в рассматриваемом УРУ в тяжелых тепловых условиях работают лишь первые лампы из группы n₁. Однако мощность, рассеиваемая на анодах последних n₂ + 1 ламп, оказывается значительно меньше допустимой. Так, в последнем примере мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы ГУ-33Б, близка к допустимой (Р_{а доп} = 150 вт), в то время как на анодах последних n₂ + 1 ламп, которые отдают одинаковую и примерно постоянную в диапазоне частот мощность, тепловые потери на анодах ламп Р_а равны разности подводимой от источника мощности P₀₁ и отдаваемой колебательной мощности Р_n, что составляет:

Следовательно, ограничения, накладываемые допустимой мощностью P_{a доп}, могут быть ослаблены, если уменьшить мощность, подводимую от источника питания к анодам первых ламп УРУ. Это может быть достигнуто либо уменьшением постоянного анодного напряжения для первых ламп, либо уменьшением тока только первых ламп при полном использовании по току последних. Рассмотрим эти два способа.

Увеличение выходной мощности при питании первых ламп УРУ пониженным анодным напряжением. Возможность уменьшения анодного напряжения на первых лампах УРУ, соответствующих однородному участку анодной линии, при сохранении недонапряженного или критического режима всех ламп в некоторой полосе частот обусловлена тем, что колебательное напряжение на анодах n₁ - 1 ламп в средней части диапазона меньше выходного напряжения УРУ (см. § 7). Последние n₂ лампы усилителя должны питаться одинаковым постоянным анодным напряжением, равным анодному напряжению n₁-й лампы.

Поскольку первые n₁ лампы работают в таком же режиме, как и лампы УРУ с однородной линией, то все соображения по выбору постоянных анодных напряжений и по определению полосы частот, соответствующей критическому режиму УРУ, приведенные в § 11, остаются справедливыми. Следовательно, полоса рабочих частот УРУ с питанием анодов первых ламп пониженным анодным напряжением уменьшается, если недопустим перенапряженный режим работы хотя бы одной лампы.

Как показывают расчеты, питание первых ламп УРУ пониженным анодным напряжением позволяет не только существенно улучшить использование ламп по номинальной мощности, но и повысить к. п. д. усилителя.

Однако наряду с уменьшением рабочей полосы частот рассмотренный способ требует нескольких источников анодного питания или гасящих сопротивлений, что ограничивает возможности его применения, особенно в случае относительно небольшой мощности усилителя.

Увеличение выходной мощности при неполном использовании первых ламп УРУ по току. Как указывалось выше, в ряде случаев для увеличения выходной мощности УРУ целесообразно уменьшать ток ламп [31, 32]. Это обеспечивает возможность повысить постоянное анодное напряжение усилителя при сохранении нормального теплового режима работы ламп.

Однако нет необходимости уменьшать ток выходных ламп, поскольку при предельном тепловом режиме первой лампы на аноде последних n₂ ламп рассеивается мощность, значительно меньшая допустимой.

Так, в примере, приведенном выше, для сохранения нормального теплового режима первой лампы ГУ-33Б пришлось уменьшить ток ламп I_m до 0,46а. Однако южно было не уменьшать ток выходных n₂ = 7 ламп, охранив его максимальным (I_m = 0,6 а). Это не изменило бы выходного напряжения и напряжения Е_а, но позволило бы увеличить мощность, отдаваемую каждой лампой из группы n₂, а следовательно, и общую мощность УРУ и величину χ.

Таким образом, для увеличения выходной мощности целесообразно неодинаково использовать по току различные лампы усилителя.

Диаграммы распределения тока ламп I_m, напряжения прямой волны U⁺_i и волнового сопротивления анодной линии р_1i УРУ с частичным подавлением обратной волны и неравномерным использованием ламп по току приведены на рис. 33. В таком усилителе первые n₁ - 1 лампы имеют меньший ток I'_m, чем выходные n₂ + 1 лампы (I_m), при одинаковом питающем анодном напряжении, причем последние лампы полностью используются по току. Последняя лампа из группы n₁ имеет такой же ток, как и лампы из группы n₂, поскольку они работают в одинаковом режиме. Если мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы, равна допустимой, то на анодах всех остальных ламп она будет меньше допустимой.

Рис. 33. Диаграммы распределения токов ламп и волновых сопротивлений П-звеньев анодной линии УРУ

Получим основные соотношения для такого усилителя, полагая, что р_n1 = 0 и угол отсечки токов всех ламп одинаков.

Выходное напряжение усилителя

где I'_m - максимальное значение тока первых n₁ - 1 УРУ, I_m - максимальное значение тока последних n₂ + 1 ламп,

Постоянное анодное напряжение усилителя для обеспечения критического режима

Если первая лампа работает в предельно допустимом тепловом режиме, то

Решая уравнение (148) относительно β₀, получим

где

Полученное выражение устанавливает функциональную связь между β₀ и n₁ при заданном режиме работы ламп (α₁, γ), заданных параметрах ламп и полосе частот (q, M₀) для случая, когда на аноде первой лампы рассеивается мощность, равная предельно допустимой.

Найдем выходную мощность УРУ, просуммировав мощность, отдаваемую в нагрузку первыми n₁ лампами - Р_n1 и последними n₂ лампами - Р_n2. Учитывая, что

получим

Используя (145), последнее выражение можно привести к виду:

где n = n₁ + n₂ - общее число ламп УРУ.

Если подставить в выражение (150) значение β₀ из (149), получим зависимость мощности УРУ от числа ламп n₁ при заданных полосе частот, параметрах ламп, их режиме и заданном общем числе ламп усилителя n. Характер этой зависимости для М₀ = 1, q = 2 и при различном общем числе ламп УРУ n представлен на рис. 34. Графики, приведенные на этом рисунке, были построены в соответствии с выражением (150), причем для каждого n₁ значение β₀ определялось по формуле (149).

Рис. 34. Зависимость нормированной выходной мощности УРУ от числа ламп n₁ при различных n

Выражения (150) и (149) будут описывать зависимость Р_н от n₁ только в том случае, когда мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы, равна Р_адоп т. е. эта зависимость будет иметь смысл только для тех значений n₁, при которых β₀ ≤ 1. Если ро оказывается больше единицы, то допустимая мощность рассеивания на аноде ламп не накладывает ограничений на выходную мощность.

Как видно из рис. 34, для заданных М₀, q и n существует значение n₁ = n_м < n, при котором выходная мощность максимальна. Величина n_1м, соответствующая максимальной мощности Р_н.м, а также величина максимума мощности зависят от общего числа ламп УРУ n. На рис. 34 отмечены также штриховыми линиями уровни мощности, которые могут быть получены от УРУ при том же числе ламп n, но при полном использовании всех ламп по току с учетом ограничений, определяемых выражениями (140) - (142). Как видно из сравнения сплошных и штриховых линий, за счет неравномерного использования ламп по току можно значительно увеличить выходную мощность УРУ при том же числе ламп с сохранением нормального теплового режима их анодов, если выбрать n₁ близким к n_1м. Это обеспечивает также увеличение коэффициента χ, а через него - увеличение промышленного к. п. д. УРУ.

Оптимальное значение n₁ = n_1м, при котором выходная мощность максимальна, является корнем уравнения: ∂Р_н/∂n₁ = 0. Если (149) подставить в (150), взять от полученного выражения производную и приравнять ее нулю, то получим уравнение относительно n_1м, решение которого имеет вид:

где

Как показывают расчеты по формуле (151), n_1м весьма мало зависит от М₀ и q и определяется в основном общим числом ламп УРУ. Это иллюстрируется рис. 35, на котором штриховкой отмечена область значений n_1м для θ = 90° (α₁ = 0,5; γ = π/2), различных n и значений параметров М₀ и q.

Рис. 35. Область значений n_1м при различных n, М₀ и q

Полученное значение n_1м позволяет по выражению (150) определить максимальную мощность, которую можно получить от усилителя при заданном числе ламп и их параметрах:

где n_1м определяется по формуле (151), а β_0м - по формуле (149) при подстановке в нее n₁ = n_1м.

На рис. 36 представлены графики зависимости нормированной мощности Р_н.м от n, построенные по выражению (152) для различных значений М₀/α₁α₀ и α₁q. Эти графики позволяют по заданному числу ламп определить максимальную мощность УРУ или по заданной мощности определить минимальное число ламп.

Рис. 36. Зависимость нормированного максимального значения выходной мощности 8Р_н.м/α²₁I²_m/ρ_а от общего числа ламп при различных α₁q и М₀/α₁α₀

Для оценки преимуществ, обеспечиваемых неравномерным использованием ламп по току, определим мощность, которую можно получить от УРУ на 12 лампах типа ГУ-33Б при θ = 90° и f_гa = 30 Мгц. Для этих ламп q = 0,9, М₀ = 0,35. Из графиков рис. 36 имеем 8P_н.м/(α₁²I_m1²ρ_а ≈ 0,74), откуда Р_н.м ≈ 1000 вт. Полученная мощность существенно больше, чем при полном использовании ламп по току (см. пример в начале этого параграфа). Коэффициент использования ламп по номинальной мощности χ = 0,5.

К. п. д. рассмотренного усилителя найдем, определив предварительно мощность, подводимую к УРУ от источника анодного питания Р₀. Учитывая, что мощность, подводимая от источника к каждой лампе из группы n₁ - 1, равна Р_aдоп, а к каждой из последующих ламп - Р_aдоп/β₀ получим

Тогда выражение для к. п. д. с учетом (150) примет вид:

Как видно из последнего выражения, к. п. д. усилителя с неравномерным использованием ламп по току (β₀ < 1) меньше, чем при одинаковых токах всех ламп (β₀0 = 1) при тех же n₁, n, q и α₁. Однако расчеты показывают, что уменьшение к. п. д. обычно оказывается несущественным. Предельное значение к. п. д. (при по-прежнему составляет γ/2, т. е. значительно выше, чем у УРУ с однородной линией.

Как показывает анализ выражения (153), при заданных параметрах ламп и их числе n к. п. д. имеет максимальное значение при некотором n₁, которое можно найти, решив уравнение ∂η/∂n₁ = 0. При этом значения, соответствующие максимуму к. п. д. и максимуму выходной мощности, обычно весьма близки. Кроме того, максимум кривой зависимости к. п. д. от n₁ оказывается весьма "тупым", так что выбор n₁, соответствующего максимуму выходной мощности, обеспечивает также к. п. д. усилителя, близкий к максимальному.

Поскольку углы отсечки токов всех ламп предполагались одинаковыми, то для уменьшения импульсов токов первых n₁ - 1 ламп необходимо уменьшить напряжение возбуждения на их управляющих сетках, уменьшить постоянное напряжение на экранных сетках и увеличить напряжение смещения [4]. Соответствующие расчетные соотношения приведены в § 25.

Для уменьшения напряжения возбуждения в цепях управляющих сеток первых n₁ - 1 ламп включаются емкостные делители (рис. 37). Соотношение между емкостями конденсаторов C_g1 и C_g2 определяется по соотношению напряжения на всей сеточной линии U_вх и требуемого напряжения возбуждения U_вх. Входная емкость делителя при этом должна равняться требуемой емкости звена сеточной линии.

Рис. 37. Принципиальная схема сеточной цепи первых n₁ - 1 ламп УРУ с неравномерным использованием ламп по току

Напряжение смещения подается индивидуально на каждую лампу через сопротивление R_c (рис. 37), а необходимое уменьшение экранного напряжения обеспечивается включением в цепи экранных сеток ламп гасящих сопротивлений (более подробно см. § 25, 28).

Во многих случаях для уменьшения токов первых ламп достаточно уменьшить только напряжения на их экранных сетках. При этом угол отсечки анодного тока обычно изменяется мало, и приведенные выше соотношения остаются справедливыми.