§ 17. УРУ с использованием в анодной линии широкополосных трансформаторов

До сих пор речь шла об усилителях, анодная линия которых построена на симметричных четырехполюсниках.

Рассмотрим теперь УРУ с использованием несимметричных четырехполюсников. В этом случае напряжение прямой и обратной волны трансформируется несимметричным четырехполюсником и характеристические коэффициенты трансформации w_i будут существенно влиять на основные показатели УРУ.

В большинстве случаев желательно, чтобы трансформирующие свойства несимметричных четырехполюсников были широкополосными, т. е. коэффициент трансформации не зависел от частоты. Простейшим типом несимметричного четырехполюсника, обладающего такими свойствами, является четырехполюсник, содержащий электромагнитный трансформатор.

Анодная линия УРУ при использовании трансформаторов и ячеек фильтра нижних частот типа m имеет вид, изображенный на рис. 38. Междуламповый k-й четырехполюсник состоит из двух Г-звеньев с одинаковыми граничными частотами, но различными волновыми сопротивлениями

Если коэффициент трансформации трансформатора этого четырехполюсника удовлетворяет соотношению:

то характеристические сопротивления четырехполюсника зависят от частоты так же, как и у обычных П-звеньев типа m и характеристический коэффициент трансформации четырехполюсника равен w_k.

Рис. 38. Эквивалентная схема УРУ с трансформаторами в анодной линии

Рассмотрим УРУ с полным подавлением обратной волны, в котором выполняется условие (96), предполагая, что все четырехполюсники анодной линии содержат трансформаторы [52]. В таком УРУ, как и в усилителе Эсплея (см. § 16), напряжение обратной волны на анодах всех ламп равно нулю, однако в отличие от усилителя Эсплея напряжение прямой волны не остается постоянным на анодах всех ламп. Это обусловлено тем, что напряжение прямой волны при прохождении ею k-го четырехполюсника изменяется в w_k раз. Закон изменения напряжения прямой волны от лампы к лампе будет определяться выражением (94), которое можно записать в виде:

Если теперь учесть (98), то из последнего выражения можно установить связь между напряжениями прямой волны на анодах двух соседних ламп:

Последнее рекуррентное соотношение позволяет выразить напряжение прямой волны на аноде любой лампы через напряжение прямой волны на аноде первой лампы:

где в соответствии с (94)

Частотная зависимость выходного напряжения рассматриваемого усилителя будет при идеальных трансформаторах такая же, как и в УРУ с полным подавлением обратной волны при симметричных четырехполюсниках анодной линии. Следовательно, частотная характеристика рассматриваемого трансформаторного усилителя будет весьма равномерной, что позволяет дальше не учитывать частотной зависимости токов ламп и характеристических сопротивлений

Поскольку обратная волна во всей анодной линии равна нулю, нет необходимости включать первый четырехполюсник и балластное сопротивление (рис. 28). В этом случае

Для получения наибольшего напряжения на аноде первой лампы р'_а2 должно быть наибольшим, т. е. левое Г-звено второго четырехполюсника должно быть построено на выходной емкости лампы без подключения дополнительных конденсаторов. Тогда в соответствии с рис. 38

где С'_вых1 = 0,5С'_а2 - выходная емкость первой лампы с учетом емкости монтажа.

Волновые сопротивления Г-звеньев анодной линии для УРУ с трансформаторами в анодной линии определяются по формуле, которую нетрудно получить с помощью (99):

Волновые же сопротивления двух Г-звеньев каждого четырехполюсника связаны через коэффициент трансформации:

Однако уравнения (156) и (157) не определяют однозначно волновых сопротивлений звеньев всей линии, поскольку в эти уравнения входят пока неизвестные коэффициенты трансформации.

Обычно трансформаторные УРУ строятся таким образом, что звенья анодной линии не содержат дополнительных конденсаторов, а только выходные емкости ламп, что позволяет полностью использовать широкополосные свойства ламп. В этом случае оказываются заданными параллельные соединения волновых сопротивлений двух Г-звеньев, стыкующихся у анода лампы p_вk (рис. 38):

где

При одинаковых граничных частотах ячейки резонансные частоты двух последовательных контуров, подключенных к зажимам k-го генератора тока, одинаковы, так что точки I-I' (рис. 38) оказываются эквипотенциальными и их можно закоротить. Поэтому полная емкость между анодом k-й лампы и землей C_пak равна:

С учетом последнего выражения формулу (158) можно записать в виде:

Таким образом, если то сопротивления p_вk известны. В этом случае однозначно определены и коэффициенты трансформации.

Далее получим выражения для коэффициентов трансформации^* через сопротивления p_вk. Из уравнений (156) и (158) имеем

^* (Во избежание недоразумений напомним, что в соответствии с рис. 28 и 38 трансформатору, включенному между первой и второй лампами, присваивается номер 2. Первый трансформатор вообще отсутствует, поскольку в УРУ нет первого четырехполюсника с балластным сопротивлением.)

откуда

Из уравнений (156) и (158) следует также, что

откуда

Если теперь поделить уравнение (160) на (161) и учесть, что то получим квадратное уравнение относительно w_k, решая которое, получим

Если верхний индекс произведения меньше нижнего (что будет для k = 2), то произведение принимается равным единице.

Полученное соотношение для коэффициентов трансформации рекуррентное. Оно позволяет последовательно определить при известных токах ламп и сопротивлениях ρ_вk коэффициент трансформации каждого последующего четырехполюсника через коэффициенты трансформации предыдущих четырехполюсников. По найденным коэффициентам трансформации можно затем найти с помощью выражений (156) и (157) волновые сопротивления всех Г-звеньев.

Таким образом, при заданных токах ламп и сопротивлениях ρ_вk (которые, в свою очередь, определяются по граничной частоте анодной линии и полной емкости анод лампы - земля) структура анодной линии трансформаторного УРУ с полным подавлением обратной волны однозначно определена.

Рассмотрим теперь УРУ на одинаковых лампах при построении анодной линии на выходных емкостях ламп. В этом случае I_1k = const = I₁ и все сопротивления ρ_bk также одинаковы, причем ρ_вk = const = ρ_в = m/2πf_гаС'_вых, где С'_вых - выходная емкость ламп с учетом емкости монтажа.

Учитывая, что , выражение (162) можно привести к виду:

Принимая последовательно k = 2, 3, 4, ..., из выражения (163) получим:

Общее выражение для коэффициентов трансформации:

Подставляя выражение (164) в (155), (156), (157), получим:

где ρ_a = 2ρ_в = m/πf_гаC'_вых - максимальное волновое сопротивление анодной линии, которое можно получить при построении на данных лампах УРУ с однородной анодной линией.

Принципиальная схема рассматриваемого усилителя представлена на рис. 39, а диаграммы распределения напряжения прямой волны и волновых сопротивлений Г-звеньев анодной линии приведены на рис. 40. В реальной схеме (рис. 39) индуктивности поперечных ветвей линий (рис. 38) создаются за счет взаимной индуктивности, отмеченной на рис. 39 (подробно об этом см. § 27). Сопротивление нагрузки усилителя RH выбирается равным волновому сопротивлению последнего Г-звена ρ'_a(n+1) согласующие полузвенья на рис. 39 не показаны), причем

Рис. 39. Принципиальная схема УРУ с трансформаторами в анодной линии

Рис. 40. Диаграммы распределения напряжения прямой волны и волновых сопротивлений Г-звеньев анодной линии УРУ с трансформаторами

Рассмотрим основные свойства усилителя и сравним го с УРУ с однородной линией и УРУ с полным подавлением обратной волны при симметричных четырехполюсниках анодной линии (усилителем Эсплея).

Напряжение на анодах ламп равно напряжению прямой волны, поскольку обратная волна подавлена. Следовательно, это напряжение мало зависит от частоты, как и в УРУ по схеме Эсплея. Однако в отличие от схемы Эсплея в рассматриваемом усилителе напряжение прямой волны растет от лампы к лампе по линейному закону (рис. 40). В этом отношении усилитель напоминает УРУ с однородной линией и позволяет получить при широких полосах частот большие выходные напряжения

а, следовательно, и высокий коэффициент использования анодного напряжения для последних ламп.

Выходная мощность УРУ

оказывается больше, чем у усилителя с однородной линией, что нетрудно установить сравнением (168) и (16), поскольку сопротивление нагрузки в данном случае R_н < ρ_а.

Причина увеличения выходной мощности может быть вскрыта на основе выражения (104). Поскольку напряжения прямых волн на анодах ламп у рассматриваемого усилителя и у УРУ с однородной линией одинаковы, одинаковы и мощности, отдаваемые лампами на прямых волнах. Однако в трансформаторном усилителе вся эта мощность идет в полезную нагрузку, в то время как в УРУ с однородной линией часть этой мощности идет на создание средних потерь в балластном сопротивлении Р_ср. Для рассматриваемого усилителя Р_ср = 0 и в соответствии с формулой (104)

что совпадает со (168).

Выигрыш в выходной мощности по сравнению с УРУ с однородной линией оказывается существенным лишь при малом n. Так, при n = 2 мощность Р_н = 0,75I₁²ρ_a, что в 1,5 раза больше, чем в УРУ с однородной линией. При больших n выигрыш оказывается малым, поскольку при n → ∞ значение

Рассмотрим к. п. д. трансформаторного усилителя при питании ламп от одного источника анодного напряжения. Для этого воспользуемся выражением (105).

Учитывая, что

получим

Из сравнения (169) и (62) видно, что трансформаторный усилитель имеет в (n + 1)/n раз больший к. п. д., чем УРУ с однородной линией.

Однако при больших n (n → ∞) этот выигрыш оказывается весьма малым, так что предельный к. п. д. усилителя близок к предельному к. п. д. УРУ с однородной линией, поскольку

Низкий предельный к. п. д. при больших n обусловлен неравномерным использованием ламп по напряжению. Так, при одном источнике анодного питания первые лампы имеют низкий коэффициент использования анодного напряжения, ибо переменные напряжения на их анодах в несколько раз меньше, чем на аноде последней лампы, для которой

При n = 2 и 3 выигрыш в к. п. д. составляет соответственно 1,5 и 1,33, т. е. оказывается весьма существенным, причем этот выигрыш обусловлен только тем, что в усилителе отсутствует балластное сопротивление и соответственно потери в нем. Коэффициент L, характеризующий неравномерность использования ламп по напряжению, при любом n такой же, как в усилителе с однородной линией.

Таким образом, при питании анодов всех ламп одинаковым постоянным напряжением и при большом n усилитель с использованием трансформаторов в анодной линии и полным подавлением обратной волны по основным показателям весьма близок к УРУ с однородной линией. Этот вывод относится также к вопросу использования ламп по номинальной мощности, которая при питании анодов от одного источника ограничивается, как правило, допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде ламп. Строго говоря, эти ограничения проявляются в меньшей степени, поскольку первая лампа во всем диапазоне частот дает одинаковую мощность. Следовательно, в отличие от УРУ с однородной линией, мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы, всегда меньше, чем мощность, подводимая от источника анодного питания, на величину колебательной мощности, отдаваемой этой лампой. Однако при большом n мощность, отдаваемая первой лампой, обычно мала по сравнению с подводимой, так что ограничения на коэффициент χ, полученные в § 11, действительны и для рассматриваемого усилителя.

Таким образом, применение УРУ с трансформаторами при большом числе ламп (n > 4) и одинаковом анодном напряжении оказывается нецелесообразным не только из-за сложности схемы анодной линии, но и из-за того, что этот усилитель не обеспечивает сколь-нибудь существенных преимуществ по сравнению с УРУ с однородной линией.

При n = 2÷3 рассмотренный УРУ безусловно имеет существенные преимущества как по сравнению с классическим усилителем, так и с усилителем с полным подавлением обратной волны при симметричных четырехполюсниках анодной линии.

Эти преимущества можно сделать еще большими, если аноды разных ламп питать от отдельных источников, что может оказаться приемлемым для весьма мощных усилителей. Поскольку переменные напряжения в трансформаторном усилителе мало зависят от частоты (эта зависимость обусловлена только частотной зависимостью характеристических сопротивлений), то, в отличие от УРУ с однородной линией (см. § 11), питание первых ламп пониженным анодным напряжением не ограничивает полосу, в которой сохраняется критический режим УРУ.

Анодное напряжение для i-й лампы определяется из выражения:

К. п. д. усилителя

Предельный к. п. д. (при qα₁(n + 1) → ∞) составляет γ/2, т. е. в два раза выше, чем для усилителя с однородной линией, при питании анодов ламп одинаковым постоянным напряжением.

В качестве примера рассмотрим трансформаторный усилитель при f_га = 30 Мгц на двух лампах типа ГУ-53Б (см. приложение). Для этого усилителя имеем:

Коэффициент использования ламп по номинальной мощности

Усилитель содержит один трансформатор с коэффициентом трансформации w₂ = 2. Аноды ламп целесообразно питать от разных источников с напряжениями:

К. п. д. усилителя при этом составит:

Для полосовых усилителей выполнение трансформаторного УРУ может значительно упроститься. В этом случае линии могут быть выполнены на основе полосовых фильтров, и междуламповые звенья линии, содержащие трансформаторы, преобразованы по известной теореме Нортона в эквивалентные звенья, не содержащие трансформаторов (см., например, Х. И. Черне "Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах", Связьиздат, 1962). Таким образом удается построить полосовой УРУ, обладающий всеми описанными выше свойствами, но не содержащий сложных узлов - широкополосных трансформаторов.