1.10.1. Параллельное соединение ламп

1.10.2. Последовательное соединение ламп (двухтактная схема)

В тех случаях, когда одной лампы какого-либо типа оказывается недостаточно для обеспечения заданной мощности соединяют несколько генераторных ламп для работы на одну нагрузку. Различают две схемы такого соединения: параллельную и последовательную. Заметим, что последовательная, или так называемая двухтактная схема, применяется не только в тех случаях, когда одной генераторной лампы недостаточно для обеспечения заданной мощности. Она часто применяется при симметричном выходе генератора, а также для обеспечения требуемой фильтрация высших гармоник.

1.10.1. Параллельное соединение ламп

При параллельном включении АЭ (ламп, или транзисторов) все их одноименные электроды соединяются друг с другом (рис.1.20а). Эквивалентная схема генератора представлена на рис.1.20б). Параллельно включенные лампы можно заменить одной эквивалентной лампой с эквивалентными параметрами. Проницаемость для суммарного тока D и коэффициент напряженности m_g для сеточного тока включенных параллельно ламп n имеют то же значение, что для одной лампы.

Рис.1. 20

Крутизна статических характеристик включенных параллельно n ламп увелич ивается в n раз, а их внутреннее сопротивление в n раз уменьшается. Крутизна линии критического режима эквивалентной лампы, заменяющей n параллельно включенных ламп, в n раз увеличивается. Увеличиваются в n раз и межэлектродные емкости эквивалентной лампы.

Напряженность режима любого лампового генератора определяется соотношением остаточных напряжений, действующих на аноде и на сетке лампы, поэтому если все включенные параллельно лампы имеют одинаковые параметры, то при заданных напряжениях на их сетках критический режим генератора независимо от количества включаемых ламп наступает при одном и том же значении напряжения на контуре U_к., т.е. критический коэффициент использования x_кр не зависит от числа включенных ламп.

Протекающая через колебательный контур первая гармоника анодного тока n ламп в n раз больше чем одной лампы. Следовательно, для получения критического режима, т. е. для обеспечения определенного напряжения на контуре U_К при n параллельно включенных лампах, потребуется в n раз меньшее сопротивление анодной нагрузки генератора.

С уменьшением анодной нагрузки уменьшается шунтирующее действие межэлектродных емкостей, включенных параллельно колебательному контуру. Таким образом, хотя при параллельном включении ламп межэлектродные емкости увеличиваются, их шунтирующее действие остается прежним.

При выходе из строя одной из ламп напряжение на контуре уменьшается, поскольку при этом уменьшается напряжение на контуре: при двух работающих лампах оно равно U_к=(I_a1(1)+I_a1(2))R_э и кажущееся сопротивление нагрузки одной лампы R_э(1)= U_к / I_a1(1)= R_э(1+ I_a1(2)/ I_a1(1)), при выходе из строя одной лампы кажущееся сопротивление нагрузки оставшейся лампы становится равным

R_эг(1) = U_к/I_a1(1)= R_э, т.е. уменьшается вдвое. Из нагрузочных характеристик генератора (рис.1.21а) видно, что если обе лампы работали в критическом режиме, то при выходе из строя одной из ламп режим оставшейся лампы станет недонапряженным, потери на ее аноде резко возрастут, а мощность на выходе генератора уменьшится более чем вдвое. Т.о, в аварийном режиме выходная мощность уменьшается в четыре раза. Если же режим был перенапряженным, то аварийный режим может стать критическим, и в этом случае уменьшение мощности генератора будет менее значительным (рис.1.216).

Параметры ламп, даже одного и того же типа, всегда несколько отличаются, поэтому электронные режимы включенных параллельно ламп тоже разные, и выходная мощность генератора всегда меньше суммы номинальных мощностей этих ламп.

Параллельное включение ламп применяют главным образом в передатчиках длинных и средних волн. Обычно параллельное соединение более двух ламп стараются не использовать.

1.10.2. Последовательное соединение ламп (двухтактная схема)

Схема последовательного соединения ламп, так называемая двухтактная схема. Переменные напряжения на управляющие сетки первой и второй ламп подаются в противофазе. Вследствие этого импульсы анодного тока этих ламп будут сдвинуты по фазе на 180⁰ .

Рис.1.24

Помимо импульсов анодного тока, показаны также первая, вторая и третья гармоники этого тока. Из рисунка видно, что нечетные гармоники токов ламп сдвинуты по фазе на 180°, а фазы четных гармоник совпадают. Если схема полностью симметрична, лампы имеют одинаковые параметры, а напряжения, приложенные к их управляющим сеткам, одинаковы по величине и противоположны но фазе, то на анодах первой и второй ламп возникнут одинаковые по величине и также противоположные по фазе напряжения. В этом случае на контурной катушке индуктивности L_к (рис.1.22) есть точка, в которой напряжение по отношению к катодам ламп равно нулю. На рис.1.24 показана эпюра распределения напряжения вдоль контурной катушки индуктивности относительно ее средней точки "0" для обоих полупериодов колебаний (для одного полупериода - сплошной линией, для другого - пунктиром). Если соединить эту точку накоротко с катодами ламп, то в режиме работы схемы не произойдет изменений (влиянием высших гармоник на работу схемы пренебрегаем). При этом для токов первой гармоники двухтактную схему можно разделить на две однотактные схемы (рис.1.25). Такое разделение позволяет использовать весьма простой порядок расчета двухтактного генератора. Предварительно рассчитывают обычным способом одно плечо двухтактной схемы, а затем удваивают полученные значения для напряжения возбуждения, напряжения на контуре, сопротивления нагрузки, а также полезную и подводимую мощности ламп генератора.

Рис.1.25

Для токов первой гармоники (и всех нечетных гармоник) двухтактную схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис.1.26а, из которой видно, что контурные токи обеих ламп складываются: через катушку индуктивности контурные токи первой и второй ламп протекают в одном направлении и имеют одну и ту же фазу. В конденсаторах контура токи разных ламп имеют разные направления, однако если, например, в емкости С ток первой лампы – емкостный, ток второй лампы, протекающий через эту емкость - индуктивный, следовательно, эти токи сдвинуты один относительно другого на 180⁰ и, в конечном счете, складываются.

Рис.1.26.

В проводе, соединяющем контур с катодами ламп, токи нечетных гармоник обеих ламп направлены в разные стороны. Если схема сбалансирована, то сумма этих токов будет равна нулю, и в этом случае эквивалентная схема генератора примет вид, показанный на рис.1.26б. Из рисунка видно, что ток одной лампы как бы является продолжением тока другой, поэтому двухтактное включение ламп и называют последовательным включением.

Если схема симметрична, то для тока первой гармоники (и для всех нечетных гармоник) схемы рис.1.22 и рис.1.25 идентичны. Однако, в аварийном режиме (при выходе из строя одной из ламп) между этими схемами есть существенная разница. При выходе из строя одной из ламп схемы рис.1.25 режим другой лампы не изменится, так как в этой схеме каждое плечо работает самостоятельно. В схеме же рис.1.22 при выходе из строя одной из ламп существенно изменяется режим другой лампы. Действительно, при одновременной работе обеих ламп через емкость и индуктивность контура этой схемы протекают токи первой и второй ламп (речь идет о первой гармонике анодного тока). При этом напряжение на емкости С, т. е. напряжение между анодом и катодом U_а каждой лампы удваивается, и, следовательно, удваивается значение кажущегося сопротивления анодной нагрузки одной лампы, которое равно половине полного эквивалентного сопротивления колебательного контура R_э. При выходе из строя одной из ламп напряжение U_а уменьшается вдвое, уменьшится вдвое и кажущееся сопротивление нагрузки оставшейся лампы. (Это можно показать и иначе: эквивалентное сопротивление анодного контура равно R_э=(2r)² /r_н , где r=1/wС, а r_н - сопротивление нагрузки, внесенное в контур. Кажущееся сопротивление нагрузки одной лампы при этом равно R_э(1).=0,5×R_э=2r²/ r_н. При выходе из строя одной лампы эквивалентное сопротивление контура для оставшейся лампы станет равным R_э(1)=(r)²/r_н, т.е. в два раза меньше).

Таким образом, при выходе из строя одной из ламп двухтактной схемы (рис.1.22) режим ламп генератора изменяется, он становится недонапряженным. Изменение мощности при выходе из строя одной из ламп можно определить по нагрузочным характеристикам, так же, как это делалось в случае параллельного включения ламп генератора (Рис.1.20).

Выше было показано, что токи четных гармоник обеих ламп совпадают по фазе, т.е., при полном балансе схемы аноды ламп эквипотенциальны. Из рис.1.27а, видно, что токи четных гармоник в контурной катушке направлены в разные стороны и, следовательно, результирующий ток четных гармоник в катушке индуктивности равен нулю и для токов четных гармоник контурную катушку индуктивности можно из двухтактной схемы исключить (рис.1.27б). Однако,необходимо помнить, что относительно земли эта катушка находится под напряжением тока второй гармоники. Для токов четных гармоник лампы включены параллельно (рис.1.27в).

Соединение средней точки контурной катушки с катодами ламп изменяет распределение четных гармоник в ветвях контура, показанное на рис.1.28. Для четных гармоник схемы рис.1.27а и рис.1.28 не идентичны: очевидно, что фильтрация четных гармоник в схеме рис.1.28 намного хуже.

Рис.1.27.

Рис.1.28

Рассмотренная двухтактная схема имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с параллельной схемой. При параллельном включении ламп переменные напряжения на их сетках и анодах имеют одинаковое значение для всех включенных ламп, и если лампы не идентичны они будут работать в разных режимах, поэтому полная полезная мощность при параллельном включении ламп не равна алгебраической сумме мощностей отдельных ламп.

При двухтактном включении ламп имеется возможность регулировать напряжения на управляющих сетках и на анодах каждой лампы в отдельности. Это позволяет более правильно подобрать их режим, вследствие чего при одном и том же номинале ламп всегда получается несколько большая полезная мощность по сравнению с параллельной схемой.

Для повышения устойчивости работы лампового генератора применяют мостовую нейтрализацию проходной емкости генераторной лампы - емкости сетка - анод (C_ag), из-за которой в триодном генераторе возможно паразитное самовозбуждение. В двухтактных схемах генератора эта нейтрализация более совершенна.

Следует отметить, что благодаря отсутствию четных гармоник в одной из ветвей контура сбалансированной двухтактной схемы, уровень четных гармоник на ее выходе очень мал, а отсутствие тока основной частоты в питающих проводах позволяет уменьшить стоимость и габариты фильтров в этих цепях, а также несколько повысить КПД генератора. Наконец, применение двухтактной схемы особенно удобно при симметричном выходе генератора. Указанные преимущества двухтактной схемы делают ее более выгодной не только по сравнению с параллельной схемой, но также и по сравнению с однотактным одноламповым генератором. Многие из указанных преимуществ сказываются тем сильнее, чем короче волна.

На рис.1.29 показаны схемы связи двухтактной схемы с нагрузкой. Следует отметить, провод, соединяющего среднюю точку контура с катодами ламп, необходим, хотя, как указывалось выше, при точной балансировке схемы ток основной частоты по нему не проходит. Однако, опыт показывает, что отсутствие этого провода резко ухудшает работу схемы, поскольку при этом устраняется и путь для токов четных гармоник. В этом случае они пройдут через блокировочный дроссель источника питания и создадут на нем большое падение напряжения, которое в сильной степени исказит форму анодного напряжения и нарушит нормальную работу схемы.

а) б)

Рис.1.29.

Для получения лучшей фильтрации высших гармоник катоды лампы необходимо соединять со средней точкой емкостной ветви контура, которая представляет малое сопротивление для токов высших гармоник и не связана с выходом схемы (рис. 1.29а), при этом в ветви контура, связанной с нагрузкой, токи четных гармоник отсутствуют. Однако, последнее еще не гарантирует полностью от прохождения четных гармоник в нагрузку, поскольку контурная катушка находится под напряжением четных гармоник относительно земли, которые передаются в нагрузку через паразитные емкости (рис.1.29а). Для уменьшения паразитной емкостной связи с нагрузкой используют электростатические экраны, состоящие из изолированных один от другого проводов, замкнутых и заземленных с одной стороны (рис.1.29б). В качестве индуктивных элементов схемы рис.1.29а на коротких волнах используют связанные двухпроводные линии.

Итак, преимуществами двухтактной схемы по сравнению с однотактной являются:

• удобство работы на симметричную нагрузку (например, на симметричную антенну, симметричный двухпроводный фидер и др.);
• ослабление четных гармоник рабочей частоты;
• легче обеспечивается устойчивость схемы;
• меньше емкость, вносимая в контур АЭ.

Недостатками двухтактной схемы являются:

• высокочастотные напряжения здесь вдвое больше, чем в однотактной;
• трудности, связанные с необходимостью симметрирования;
• вдвое большее число элементов схемы, чем в однотактной схеме, что при прочих равных условиях приводит к снижению надежности.

В аварийном режиме схемы равноценны.