§ 25. Расчет УРУ

После того как выбрана лампа, приступают к расчету УРУ. Предварительно необходимо выбрать угол отсечки анодного тока ламп θ. Если схема УРУ однотактная и на выходе УРУ допускается несинусоидальное выходное напряжение, то угол отсечки выбирается в пределах 90-120°, что в соответствии с рис. 19 обеспечивает максимальное значение к. п. д. Если выходное напряжение УРУ не должно содержать сильных высших гармоник, то выбирают θ = 180° (класс А). При двухтактной схеме УРУ угол отсечки θ целесообразно выбирать равным 90°.

По выбранному θ находят α₀, α₁ и γ.

Сказанное выше относится к случаю, когда к линейности усиления УРУ не предъявляется высоких требований и характеристики ламп аппроксимируются отрезками прямых. Если же такие требования имеются, как, например, при использовании УРУ в качестве каскада передатчика с однополосной модуляцией, то режим работы ламп определяется по реальной статической анодно-сеточной характеристике. Рабочая точка выбирается так, чтобы обеспечить требуемый уровень нелинейных искажений при достаточно высоком к. п. д. (т. е. высоком γ). Обычно проницаемость тетродов и пентодов весьма мала, так что при выборе рабочей точки для ламп УРУ можно пользоваться данными, приведенными в литературе [8] для резонансных усилителей. Приближенно можно считать, что смещение E_g1, соответствующее точке пересечения прямой, совпадающей с касательной к анодно-сеточной характеристике на участке максимальной крутизны (рис. 50), с осью абсцисс, обеспечивает минимум нелинейных искажений [8]. По выбранной таким образом рабочей точке строят реальный импульс анодного тока (рис. 50) и, разлагая его в ряд Фурье графическим методом [4], находят коэффициенты разложения импульса анодного тока α₀, α₁ и коэффициент γ.

Рис. 50. Анодно-сеточная характеристика и форма импульса анодного тока лампы ГУ-33Б

Дальнейший порядок расчета определяется типом схемы УРУ и проводится на основе соотношений, полученных в предыдущих главах. Если схема УРУ двухтактная, то расчет ведется на одно плечо.

УРУ с однородной линией. Для обеспечения малого числа ламп УРУ анодная линия строится на выходных емкостях ламп без подключения дополнительных конденсаторов. Волновое сопротивление анодной линии определяется по формуле:

где f_гa - граничная частота анодной линии, которая выбирается на 15-20% выше верхней частоты заданного диапазона f_в; С_вых - выходная емкость лампы с учетом емкости монтажа, обычно С'_вых = 1,5 С_вых; m - параметр фильтров, выбираемый в пределах 1,27-1,4 (см. § 5).

Из формулы (49) определяется число ламп УРУ

Полученное n округляется до целого числа в большую сторону, а затем по формуле (49) уточняется величина выходной мощности УРУ.

Далее определяется выходное напряжение U_н и анодное напряжение Е_а для обеспечения критического режима УРУ:

Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы,

где ΔР_а1 находится по формуле (31).

Если Р_а1 > Р_адоп, необходимо уменьшить ток лампы I_m до величины, при которой Р_а1 ≤ Р_адоп (при этом число ламп УРУ возрастет). Далее определяются мощность, подводимая к УРУ от источника анодного питания, и к. п. д. по анодной цепи.

Расчет сеточной цепи УРУ сводится к определению напряжения смещения E_g1 и амплитуды напряжения возбуждения УРУ U_вх. Если рабочая точка выбиралась по реальной анодно-сеточной характеристике, то E_g1 и U_вх уже известны. При кусочно-линейной аппроксимации характеристик ламп (проницаемость лампы считаем равной нулю) указанные величины определяются по формулам [4]:

где S - крутизна лампы; D₂, D₃ - проницаемость по второй и третьей сеткам [4]; E_g2, E_g3 - напряжения на второй и третьей сетках; E_g0 - напряжение приведения, определяемое по характеристикам лампы [4].

Далее необходимо определить волновое сопротивление сеточной линии ρ_g. Для получения максимального коэффициента усиления мощности Кр сеточную линию нужно строить на входных емкостях ламп без подключения дополнительных конденсаторов, что обеспечит максимальное ρ_g. Однако для обеспечения высокой устойчивости УРУ [30] и малого влияния смены ламп на характеристики усилителя целесообразно уменьшать величину ρ_g. Обычно ρ_g выбирают из соотношения: ρ_g = (0,2÷0,3)ρ_a.

Часто для упрощения согласования с устройством, возбуждающим УРУ, ρ_g выбирают равным волновому сопротивлению фидера, соединяющего УРУ с предыдущими усилителями (при этом обычно ρ_g равно 50, 75 или 100 ом).

По выбранному ρ_g определяют мощность возбуждения УРУ и коэффициент усиления мощности:

Аналогично проводится расчет сеточной цепи и для других типов УРУ.

УРУ с частичным подавлением обратной волны. Расчет такого УРУ обычно целесообразно проводить таким образом, чтобы обеспечить минимальное число ламп УРУ.

Предварительно по известным параметрам ламп определяют волновое сопротивление однородного участка анодной линии ρ_а [формула (220)] и промежуточные параметры:

Если М₀/(α₀α₁) > 3, то все лампы УРУ можно одинаково использовать по току. В этом случае расчет проводится следующим образом.

Определяется максимально допустимая амплитуда переменного напряжения на выходе УРУ:

где 0,9 - коэффициент запаса.

Далее находят произведение n₁(1 + p_n1) (см. § 15)

где p_n1 - коэффициент отражения на n₁-м стыке четырехполюсников анодной линии.

Если n₁(1 + р_n1) ≥ 4, то p_n1 целесообразно выбрать равным нулю, а n₁ принять равным отношению 2U_н.макс/(α₁I_mρ_а), округленному до ближайшего меньшего целого числа.

Если n₁(1 + p_n1) < 4, то n₁ получают, округляя отношение 2U_н.макс/α₁I_mρ_a до ближайшего большего целого числа, а p_n1 определяют из формулы:

Затем уточняют величину выходного напряжения УРУ U_н и мощности Р_n1, отдаваемой первыми n₁ лампами:

Подсчитывают мощность Р'_n2, отдаваемую каждой лампой из группы n₂, и число ламп n₂:

Округляя n₂ до целого числа в большую сторону, определяют общее число ламп n и уточняют выходную мощность УРУ:

После расчета постоянного анодного напряжения УРУ проверяют максимальную мощность, рассеиваемую на аноде первой лампы:

где ΔР_a1 - колебательная мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы (см. § 7).

Затем определяют мощность, подводимую к УРУ от источника анодного питания Р₀, и к. п. д. η:

Полученный к. п. д. целесообразно сравнить с максимально возможным к. п. д. η_макс, определяемым из формулы (128). Волновые сопротивления П-звеньев анодной линии определяются по формулам:

где ρ_ai - волновое сопротивление П-звена, включенного между (i-1)-й и i-й лампами.

Если M₀/(α₀α₁) < 3÷2, то обычно допустимая мощность, рассеиваемая на аноде ламп, накладывает существенные ограничения на уровень выходной мощности. В этом случае для улучшения использования ламп по номинальной мощности следует применять неравномерное использование ламп по току (см. § 16). При этом целесообразно выбирать структуру УРУ (соотношение n₁ и n₂), обеспечивающую минимум числа ламп при заданной выходной мощности. Расчет УРУ основывается на графиках, построенных в § 16, и сводится к следующему.

По заданной выходной мощности определяется отношение 8P_н/(α₁²I_m²ρ_а). Откладывая это отношение по оси ординат на графиках рис. 36, определяют на оси абсцисс ориентировочное число ламп УРУ n для заданных произведения α₁q и отношения M₀/(α₀α₁).

По формуле (151) определяется число ламп n_1м, соответствующее минимуму общего числа ламп УРУ. Для проверки правильности расчета n_1м можно пользоваться рис. 35. Полученное n_1м округляется до ближайшего целого числа, и затем определяются параметр β₀ по формуле (149) и импульс тока первых n₁ - 1 ламп:

где I_m - импульс тока выходных n₂ + 1 ламп УРУ.

Для обеспечения запаса по мощности, рассеиваемой на аноде первой лампы, полученный из расчета ток I_m целесообразно уменьшить на 5-10%, после чего уточнить β₀.

Далее по формулам (145) и (147) определяются выходное напряжение U_н и постоянное анодное напряжение усилителя Е_a, после чего проверяется мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы:

Рассчитывается мощность, отдаваемая первыми n₁ лампами (Р_n1) и каждой лампой из группы n₂ - Р'_n2.

Затем находится число ламп n₂ и уточняется общее число ламп УРУ n:

Мощность, подводимая к УРУ от источника анодного питания, рассчитывается по формуле:

Далее определяется к. п. д. УРУ, который также целесообразно сравнить с максимально возможным к. п. д. при заданном числе ламп [формула (128)].

Волновые сопротивления П-звеньев анодной линии

Расчет сеточной цепи рассмотренного УРУ имеет некоторые особенности, связанные с тем, что первые n₁ - 1 лампы должны иметь меньший импульс тока.

Экранное напряжение для выходных n₂ + 1 ламп E_g2 выбирается равным номинальному, а для первых n₁ - 1 ламп уменьшается до величины, определяемой при кусочно-линейной аппроксимации ламповых характеристик по формуле [4]:

Напряжение возбуждения и напряжение смещения для первых n₁ - 1 ламп:

где

Для выходных n₂ + 1 ламп U_вх и E_g1 рассчитываются по тем же формулам, но с подстановкой соответствующего импульса тока I_m и экранного напряжения Е_g2.

При высоких требованиях к линейности E'_g2, U'_вх и E'_g1 определяются по реальным характеристикам ламп.

Элементы емкостных делителей в сеточных цепях первых n₁ - 1 ламп (рис. 37) находят в процессе расчета сеточной линии.

УРУ с трансформаторами в анодной линии. Такой усилитель (рис. 39) не содержит балластной нагрузки, и анодная линия его строится на выходных емкостях лампы.

Волновое сопротивление первого Г-звена (рис. 38)

где ρ_а = m/πf_гаC'_вых.

Число ламп УРУ для обеспечения заданной мощности в соответствии со (168) равно:

Полученное n округляется до ближайшего большего целого числа, которое не должно быть больше 3, и по формуле (168) уточняется величина выходной мощности.

Определяются колебательные напряжения на анодах всех ламп

где i - номер лампы.

По найденным напряжениям U_i находятся постоянные анодные напряжения для питания каждой лампы, мощность, подводимая к лампам, и к. п. д. каждой лампы и всего УРУ.

Волновые сопротивления Г-звеньев (рис. 38) определяются из выражений:

а коэффициенты трансформации трансформаторов:

Сеточная цепь рассчитывается так же, как и для других УРУ.

УРУ по схеме рис. 42. Если лампа, предназначенная для блока 1, имеет параметры I_m1 и С_вых1, удовлетворяющие условию:

где С'_вых1 - выходная емкость лампы блока 1 с учетом емкости монтажа; Е_аном2, е_амин2 - номинальное и остаточное анодное напряжение ламп блока 2, то трансформатор в цепи связи анодных линий блоков не нужен, и расчет проводится следующим образом.

Определяется максимальное значение импульса анодного тока лампы блока 1:

Полученное значение I_m1 обеспечивается за счет соответствующего выбора экранного напряжения.

Мощность, отдаваемая в нагрузку блоком 1,

где

Напряжение на анодах всех ламп УРУ и на нагрузке

Число ламп блока 2

где I_m2 - максимальное значение импульса анодного тока ламп блока 2.

Затем находятся постоянное анодное напряжение для лампы блока 1

и для ламп блока 2

определяются мощности, подводимые к анодам ламп и к. п. д. УРУ.

Волновые сопротивления П-звеньев анодной линии рассчитываются по формулам:

где ρ_ai - волновое сопротивление П-звена, включенного между (i - 1)-й и i-й лампой.

Если параметры лампы блока 1 не удовлетворяют условию (225), то расчет целесообразно выполнить для схемы без трансформатора (рис. 42, б) и с трансформатором в цепи связи анодных линий блоков (рис. 42, б).

В первом случае определяется величина выходного напряжения УРУ по формуле (226), а затем постоянное анодное напряжение для ламп блока 2:

Далее расчет ведется, как и при выполнении условия (225), с той лишь разницей, что в соответствующие формулы подставляется не Е_а2ном, а Е_а2 < Е_а2ном.

При использовании трансформатора (рис. 42, б) в начале расчета определяется коэффициент трансформации w₂ по формуле (175).

Определяется волновое сопротивление Г-звена между лампой первого блока и первичной обмоткой трансформатора (рис. 38)

Затем находятся колебательные напряжения на анодах лампы блока 1 U₁, и на анодах ламп блока 2 U₂ = U_н:

Если U₂ > (E_a2ном - е_мин2), то коэффициент трансформации следует уменьшить до величины

При этом, в отличие от схемы рис. 42, б, к аноду лампы Л₂ нужно будет подключать дополнительный конденсатор.

Определяют мощность, отдаваемую лампой блока 1, и число ламп блока 2:

По известным U₁ и U₂ находят постоянные анодные напряжения Е_а1 и Е_а2 и к. п. д. УРУ.

Волновые сопротивления звеньев анодной линии находят по формулам (176) - (179).

Рассчитанный трансформаторный вариант УРУ сравнивают по числу ламп и энергетическим показателям с бестрансформаторным вариантом, рассчитанным ранее, и решают вопрос о целесообразности применения трансформатора.

Сеточную цепь УРУ рассчитывают индивидуально для ламп блока 1 и блока 2.

Пример расчета УРУ. Требуется рассчитать УРУ с выходной мощностью 1 квт в полосе частот: f_н = 1,5 Мгц и f_в = 25 Мгц.

Усилитель должен обеспечить высокую линейность усиления и малый уровень высших гармоник на выходе. Для обеспечения последнего требования усилитель строим по двухтактной схеме и расчет ведем на одно плечо (Р_н = 500 вт).

Выбираем схему УРУ с частичным подавлением обратной волны. На основе приведенных в § 24 соображений применим для усилителя лампу типа ГУ-33Б, параметры которой приведены в приложении.

Линия УРУ выполняется на фильтрах нижних частот типа m с m = 1,4. Граничная частота линий f_гa = 30 Мгц.

Определяем волновое сопротивление однородного участка анодной линии

где

Находим промежуточные параметры:

Поскольку М₀/(α₀α₁) < 3, то лампы УРУ целесообразно неравномерно использовать по току.

Учитывая, что УРУ должен обеспечить высокую линейность усиления, рабочую точку лампы выбираем по реальной анодно-сеточной характеристике (рис. 50). Для этого проводим прямую, касательную к анодно-сеточной характеристике на ее линейном участке. Точка пересечения этой прямой с осью абсцисс дает величину смещения E_g1 = - 26в.

Амплитуда напряжения возбуждения

Для определения коэффициентов разложения строим форму импульсов анодного тока (рис. 50). Разлагая графически импульс тока в ряд Фурье [4], находим

откуда

Определяем отношение

По графикам рис. 36 для M₀/(α₀α₁) ≈ 2,1 и α₁q ≈ 0,5 находим n = 9.

По формуле (151) находим:

Принимаем n₁ = 5.

По формуле (149) определяем

Импульс тока выходных n₂ + 1 ламп равен номинальному I_m = 0,6а (рис. 50), а для первых n₁ - 1 ламп

Выходное напряжение УРУ

Анодное напряжение

Мощность, рассеиваемая на аноде первой лампы,

Мощность, отдаваемая первыми яг лампами и каждой лампой из группы n₂,

Число ламп

Принимаем n₂ = 4, тогда n = n₁ + n₂ = 9.

Уточняем выходную мощность УРУ и определяем его к. п. д.:

Максимально возможный к. п. д. при заданном числе ламп в соответствии с формулой (128) η_р.макс = 0,37.

По формуле (224) определяем волновые сопротивления П-звеньев неоднородного участка анодной линии. Результаты сводим в табл. 1.

Таблица 1

Волновое сопротивление сеточной линии выбираем в соответствии с рекомендациями § 25: ρ_g = 250 ом.

Напряжения возбуждения U_вх и смещения E_g1 для выходных n₂ + 1 ламп определены по реальной анодно-сеточной характеристике: U_вх = 26в, E_g1 = -26в.

Мощность сигнала, необходимая для возбуждения одного плеча УРУ,

Коэффициент усиления мощности УРУ

Напряжение на экранных сетках выходных n₂ + 1 ламп выбирается номинальным E_g2 = 300 в, а для первых n₁ - 1 ламп снижается до такой величины E'_g2, при которой импульс тока уменьшается до 0,4 а. Напряжения возбуждения U'_вх и смещения Е'_g1 определяются по реальной анодно-сеточной характеристике для пониженного экранного напряжения.

Требуемое напряжение U'_вх обеспечивается емкостным делителем C_g1 - C_g2 (рис. 37).

Полная схема УРУ (для n = 4) представлена на рис. 54, а ее более подробное описание дано в § 28.