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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Transformatorkaskaden mit Paraphasenerregung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Röhren-Leistungsverstärker Der Artikel stellt die Originalversionen der Schaltungen von Transformatorlampenkaskaden vor. Durch Kombinationen zweier Einzelzykluskaskaden mit Paraphasenanregung lassen sich interessante Modifikationen erzielen, ähnlich wie bei Push-Pull-Kaskaden. Ihre Vor- und Nachteile werden beschrieben, Berechnungsformeln und Ergebnisse der Parameterforschung angegeben. Die in diesem Artikel betrachteten Varianten der Endstufen von Röhrenverstärkern gehen in ihrer Genealogie auf eine gewöhnliche Single-Cycle-Endstufe zurück [1,2]. Das resultierende Ergebnis ist ein klarer Kompromiss, aber jede der Optionen für die beschriebenen Schemata hat einige Vorteile, und beurteilen Sie selbst, wie wertvoll sie sind. Trafostufen mit paralleler Einspeisung Zunächst habe ich die Ausgangsstufe im Verstärker gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung verwendet. 1, trotz seiner Mängel gewaltsam [3]. Tatsächlich liegt sein Hauptvorteil darin, dass der Ausgangstransformator keine permanente Magnetisierung aufweist. Dadurch können Sie die Parameter der Kaskade verbessern, indem Sie die Induktivität der Wicklungen erhöhen und (oder) die parasitären Parameter des Transformators reduzieren. In einer solchen Kaskade mit paralleler Last erfolgt die Ummagnetisierung des Magnetkreises in einer symmetrischen Schleife. Das ist „gut“, weil darin keine Harmonischen vorkommen und der zulässige Induktionsbereich zunimmt; „schlecht“, denn wenn die Induktion den Nullpunkt durchläuft, ist die Magnetisierungskurve im Wesentlichen nichtlinear.
Wenn der Transformator mit einer symmetrischen Ummagnetisierungsschleife arbeitet, hindert nichts daran, die Kaskade in eine Gegentaktkaskade umzuwandeln, wodurch ihre Vor- und Nachteile zu den bereits verfügbaren hinzugefügt werden. Natürlich kann man eine berechtigte Frage stellen: Warum tun wir das? Ich werde versuchen zu antworten. Bei der Entwicklung von Röhren-UMZCHs wird versucht, eine möglichst lineare, verzerrungsfreie Verstärkung zu erreichen, vor allem durch Methoden, die es ermöglichen, unerwünschte Nichtlinearität ohne Verwendung einer allgemeinen Rückkopplung zu unterdrücken. Push-Pull-Kaskaden ermöglichen es, die Linearität leistungsstarker Kaskaden durch parametrische Methoden ohne Einführung von Rückkopplungen unter Ausnutzung der Symmetrie der Struktur zu erhöhen. Die in [4] diskutierten Methoden zur Unterdrückung gerader Harmonischer in Einzelzykluskaskaden durch Auswahl der Lampentypen und -modi sind im Vergleich zur Push-Pull-Struktur weniger universell. Infolgedessen dominieren ungerade Harmonische im Spektrum des Ausgangssignals, ihr Pegel ist jedoch um eine Größenordnung niedriger als der der unterdrückten geraden Harmonischen, sodass sie mit anderen Methoden viel einfacher zu bewältigen sind. Eine Kaskade mit einem Zyklus ist grundsätzlich asymmetrisch. Dies hat zur Folge, dass die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeiten der Fronten von Signalen gepulster Natur grundsätzlich unterschiedlich sind. Es führt auch zu einer erhöhten Phasenverzerrung. Bei Push-Pull-Kaskaden ist dieser Nachteil weniger ausgeprägt. Eine Gegentakt-Kaskadenschaltung aus der ursprünglichen (gemäß Abb. 1) kann erhalten werden, indem die Last zwischen den Ausgängen zweier einzyklischer Kaskaden mit Parallelversorgung eingeschaltet und diese Kaskaden dementsprechend mit einem paraphasischen Signal angeregt werden ( Abb. 2). Für Lampen mit niedriger Vorspannung eignet sich die in Abb. dargestellte Schaltung. 3, da in diesem Fall keine separate Vorspannungsquelle erforderlich ist. Tatsächlich ähnelt diese Schaltung einer herkömmlichen Differentialkaskade. Der Normalbetrieb dieser Kaskaden ist nur in der Klasse A möglich. Wenn die Lampen identisch sind, beträgt die Verstärkung einer solchen Stufe für zweiphasige Signale
Dabei ist (μ die Lampenverstärkung; R der Innenwiderstand; RH der Lastwiderstand und der Ausgangswiderstand
Unter bestimmten Bedingungen kann ein Isolationskondensator Cp fehlen, aber ohne die Aufrechterhaltung gleicher Spannungen an den Anoden der Lampen muss er verwendet werden. Darüber hinaus können Sie durch das Vorhandensein dieses Kondensators die Betriebsart jeder Lampe in der Kaskade unabhängig und in einem weiten Bereich ändern. Es wird möglich, den Kaskadenbetriebsmodus mit dem gewünschten Grad an geraden Harmonischen einzustellen, selbst für Lampen mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften.
Durch diese Modifikation wird eine Verdoppelung der Ausgangsleistung sowie eine Kompensation der geraden Oberwellen der Lampen und des Transformators erreicht. Es wird möglich, das Spektrum der Signalverzerrung anzupassen. Es ist zulässig, die Abmessungen des Transformators zu reduzieren oder bei gleichen Abmessungen seine Parameter zu verbessern. Da der Transformator nicht magnetisiert ist, ist sein Aufbau vereinfacht. In diesem Fall ist jedoch eine höhere Versorgungsspannung erforderlich, obwohl der Wirkungsgrad selbst theoretisch 25 % nicht überschreiten wird. Die Ausgangsimpedanz der modifizierten Stufe ist doppelt so groß und der Anteil ungerader Harmonischer ist höher, da der Signalstrom durch zwei Lampen fließt. Der unangenehmste Nachteil sind natürlich die ungeraden Oberwellen, zu deren Unterdrückung es ratsam ist, eine lokale Rückkopplung in die Ausgangsstufe einzuführen. Am optimalsten ist es, hier eine kathodische Rückkopplung zu verwenden, wie in Abb. 4. Sehen wir uns an einem realen Beispiel an, was passiert, wenn eine Rückkopplung eingeführt wird. Gemäß der Rückkopplungstheorie [3] ist die Abnahme des Pegels der harmonischen Komponenten Un der Verzerrung proportional zur Rückkopplungstiefe A:
wobei Un os der Pegel der n-ten harmonischen Komponente im Verstärker mit OOS ist. Im Bereich mittlerer Frequenzen ist es durchaus akzeptabel, nicht komplexe Größen, sondern deren Module zu betrachten, was wir auch weiterhin tun werden. Der FOS im Kathodenkreis der Lampe ist eine Reihenspannungsrückkopplung, in diesem Fall ist die Verstärkung KOS des von der Rückkopplung abgedeckten Verstärkers gleich:
wobei K die Verstärkung des Verstärkers ohne Rückkopplung ist; β ist die Verstärkung der Rückkopplungsschleife. Der Nenner von Ausdruck (4) entspricht dem von uns benötigten Wert A:
Für diese Stufe ist es wünschenswert, eine Lampe mit maximaler Verstärkung und minimalem Pegel der dritten Harmonischen zu verwenden. Nachdem wir uns für die Strahltetrode 6P1P entschieden haben, stellen wir die gewünschte Verstärkung Kos = 3 ein (dieser Wert wird in einem echten Verstärker normalerweise durch die Fähigkeiten der Front-End-Phaseninverterstufe bestimmt). Indem wir den Wert von Kos in Gleichung (4) einsetzen, berechnen wir die Rückkopplungstiefe A.
Nun berechnen wir gemäß Ausdruck (3) die Pegel der harmonischen Komponenten neu und gehen davon aus, dass die geraden Harmonischen vollständig kompensiert sind (siehe Tabelle 1).
Für die Experimente wurde eine nach dem Schema in Abb. 5 aufgebaute Endstufe verwendet. 3 (entspricht dem Schaltungsaufbau in Abb. XNUMX).
Auf Abb. 6 zeigt das Spektrum seines Ausgangssignals. Die experimentellen Ergebnisse der Verzerrungsmessung weichen von den berechneten Werten um 20...25 % (in Richtung der Verschlechterung) ab. Dies ist auch auf die unvollständige Kompensation gerader Harmonischer zurückzuführen – es wurden Lampen ohne Vorauswahl verwendet. Die Linearität der neuen Version des Verstärkers ist deutlich höher; Besonders attraktiv ist die Kaskade mit kathodischer Rückkopplung [5, 6]; in diesem Fall werden alle Parameter verbessert.
Die Hauptbeschränkung für den praktischen Einsatz einer solchen Kaskade ist ihre geringe Effizienz; Mit herkömmlichen Leuchtmitteln kann eine Ausgangsleistung von bis zu 2 ... 3 Watt erreicht werden. Der Einsatz eines solchen Kaskadenschemas empfiehlt sich vor allem dann, wenn in Eintaktkaskaden alter Funkgeräte vorgefertigte Ausgangstransformatoren zum Einsatz kommen (die Lücke im Transformator sollte beseitigt werden). Es eignet sich auch gut für die Endstufe eines hochwertigen Telefonverstärkers, insbesondere wenn ein Transformator speziell dafür angefertigt wird. Auf Abb. Abbildung 7 zeigt das Spektrum des Ausgangssignals eines solchen Verstärkers; bei einer maximalen Leistung von 0,6 W überschreitet der Gesamtharmonische Koeffizient des gesamten Pfades 0,06 % nicht. Der vorgeschlagene Ansatz kann auf andere Versionen der parallel betriebenen Kaskade angewendet werden, indem die Stromquellen in den Anoden der Lampen durch eine Drossel mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen ersetzt werden. Durch die Einführung der zweiten Wicklungsanordnung wird eine symmetrische Kaskade mit Drossellast (Abb. 8) und einem Wirkungsgrad von bereits 50 % erreicht.
Durch die Übertragung von Stromquellen oder einer Drossel auf den Kathodenstromkreis der Lampen entsteht ein symmetrischer Kathodenfolger (Abb. 9). Letztere Variante der Schaltung ist für den Einsatz in den Endstufen von Vorverstärkern mit Transformatorausgang sowie für Telefonverstärker von praktischem Interesse. In der Kaskade nach dem in Abb. 4: Pentoden und Strahltetroden können erfolgreich eingesetzt werden, indem der Rk-Widerstand eliminiert und eine feste Vorspannung angelegt wird. Split-Load-Ausgangsstufe Bei der Suche nach einer sinnvollen Modifikation einer symmetrischen Struktur war es wünschenswert, die Vorteile von Single-Cycle- und Push-Pull-Kaskaden ohne deren Nachteile zu kombinieren, nämlich: eine parametrische Kompensation gerader Harmonischer zu erreichen, wenn der Magnetkern des Anpassungstransformators eingeschaltet ist eine private Ummagnetisierungsschleife. In diesem Zusammenhang biete ich den Lesern eine neue Version der Endstufe mit geteilter Last an – mit zwei Ausgangstransformatoren (Abb. 10, 11). Meiner Meinung nach ist der Einsatz von zwei Transformatoren ein angemessener Preis bei außergewöhnlich guten Eigenschaften und hoher Flexibilität.
Der Aufbau einer Gegentaktkaskade entsteht durch die Kombination der Sekundärwicklungen der Ausgangstransformatoren zweier Eintaktkaskaden und die Erregung dieser Kaskaden mit einem Paraphasensignal. Dadurch werden aufgrund des Paraphasenbetriebs der Kaskade auch harmonische Verzerrungen unterdrückt (natürlich unter Berücksichtigung des realen Asymmetriekoeffizienten der Arme). Es kann von jedem Typ einer phaseninvertierten Bühne aus betrieben werden, es ist erlaubt, beliebige Lampen zu verwenden und verschiedene Arten von lokaler Rückmeldung in jeden Arm einzuführen, sowohl unabhängig als auch über Kreuz. Der normale Betrieb des Verstärkers ist nur in Klasse A möglich. Wie aus diesen beiden Schemata ersichtlich ist, gibt es zwei Möglichkeiten zur Umsetzung der Kaskade, die sich in ihren Eigenschaften deutlich unterscheiden. Wenn bei Gleichstrom in beiden Versionen die Lampen parallel geschaltet sind, hängt das Einschalten der Lampen bei Wechselstrom davon ab, wie die Sekundärwicklungen der Ausgangstransformatoren angeschlossen sind und wie die Last daran angeschlossen ist. Der Verstärker verfügt über zwei Ausgangstransformatoren, deren Magnetkerne in einer privaten Umkehrschleife arbeiten. Der anspruchsvolle Leser wird sagen: Das ist ein Nachteil. Ja, unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung der Kosten, der Abmessungen der Struktur und der Komplexität stimmt das, aber wenn das Thema Qualität im Vordergrund steht, ist das ein Vorteil. Erstens wird der Übergang der Induktion im Transformator durch Null und damit die charakteristischen Nichtlinearitäten des Transformators bei niedrigen Signalpegeln eliminiert. Zweitens können die Ruheströme in den Zweigen der Kaskade gezielt unterschiedlich eingestellt werden, um den Pegel gerader Harmonischer im Ausgangssignal anpassen und Lampen mit einem breiten Spektrum an Kennlinien verwenden zu können. Der Unterschied zur üblichen Push-Pull-Kaskade besteht darin, dass gerade Harmonische kompensiert werden. Bei einem klassischen Gegentaktverstärker erfolgt die Kompensation im Magnetfeld des Ausgangstransformators; und in einer solchen kombinierten Kaskade - direkt am Lastwiderstand. Um die grundlegenden Konstruktionszusammenhänge zu erhalten und die Eigenschaften der Kaskaden besser zu verstehen, stellen wir sie in Form von Ersatzschaltbildern dar, wobei wir davon ausgehen, dass Lampen und Transformatoren gleich sind. Stellen wir uns dazu die Lampen als äquivalente EMF-Quelle E mit dem Ausgangswiderstand Ri oder als äquivalente Stromquelle I vor, die mit dem Widerstand Ri überbrückt ist
wobei μ die Lampenverstärkung ist; S ist die Steilheit der Lampe; Uc – Spannung am Steuergitter der Lampe; Ri ist die Ausgangsimpedanz der Lampe. Die in Abb. 10 entspricht dem Ersatzschaltbild in Abb. 12a und die Kaskade in Abb. 11 - 13, a. Eine weitere Vereinfachung führt zu den in den Abbildungen gezeigten Schaltungen. 12,6, 13,6 bzw. 13.
In dem in Abb. gezeigten Schema. In Abb. 10 sind die Lampen mit Wechselstrom in Reihe geschaltet – nennen wir dies Kaskadenreihe (mit einem gemeinsamen Strom durch die Sekundärwicklungen). Im Diagramm in Abb. 11 Lampen und Wechselstrom sind parallel zur Last angeschlossen, nennen wir diese Kaskade parallel (mit einer gemeinsamen Spannung an den Sekundärwicklungen). Aus den erhaltenen Ersatzschaltbildern lassen sich ganz einfach die wichtigsten berechneten Beziehungen [7] ermitteln, die in der Tabelle zusammengefasst sind. 2.
Die Wahl des Kaskadentyps hängt maßgeblich von den verwendeten Lampen ab. Bei Endröhren mit relativ großer Ausgangsimpedanz und hohem μ empfiehlt sich der Einsatz einer Parallelstufe. Für Trioden mit hoher Ausgangsleistung kann es sinnvoll sein, eine Reihenstufe zu verwenden. Da in diesem Fall μe doppelt so groß ist, ist die Ansteuerung der Endröhren einfacher. In symmetrischen Stufen mit geteilter Last können Standard-Ausgangstransformatoren, die für Single-Ended-Stufen ausgelegt sind, erfolgreich eingesetzt werden. Rückkopplung in einer geteilten Lastkaskade Eine leichte Modifikation der Serienstufe, dargestellt in Abb. 14 ermöglicht die Verbesserung seiner allgemeinen Parameter. Die Übertragung von Ausgangswicklungen und Last im Kathodenkreis der Lampen bietet eine Reihe von Vorteilen. Die Gesamtmagnetisierungsinduktivität erhöht sich, da die Ausgangswicklung zusätzlich in Reihe zur Primärwicklung geschaltet wird. Der Ausgangstransformator wird zum Spartransformator, wodurch sich seine Größe im Allgemeinen verringert. In dieser Kaskade können Sie Standardtransformatoren ohne zusätzliche Wicklung verwenden.
Darüber hinaus kommt es zu lokalen Rückkopplungen im Kathodenkreis der Kaskade mit entsprechender Änderung der Parameter der Kaskade. Natürlich können wir die Tiefe dieser Rückkopplung mit Standardtransformatoren nicht beliebig anpassen, aber sie ist „frei“. Hier ist es erfolgversprechend, Transformatoren mit einer großen Anzahl von Anzapfungen an der Sekundärwicklung zu verwenden, dann werden die Kathoden der Lampen an die Anschlüsse angeschlossen, die für die höchstohmige Last vorgesehen sind, und die tatsächliche Last, abhängig von ihrem Widerstand, an die gleichnamigen Zwischenhähne. Bei einer Kaskade nach diesem Schema ist der konstante Spannungsanteil an der Last praktisch sehr klein. Dies ist auf den geringen Wirkwiderstand der Ausgangswicklungen (nicht mehr als ein paar Ohm) und den tatsächlichen Unterschied im Ruhestrom der Lampen zurückzuführen. In der Praxis überschreitet diese Spannung 5 ... 15 mV nicht. Ein weiteres Nebenprodukt dieser Lastumschaltung ist ein Differenzausgang, obwohl die Serienversion der Kaskade auch über diese Funktion verfügt. Wie oben erwähnt, können in Kaskaden mit gemeinsamer Last beliebige Lampentypen und verschiedene Arten lokaler Rückkopplungen eingesetzt werden. Als Beispiel in Abb. In Abb. 15 zeigt die Einbeziehung von Pentoden mit Kathodenrückkopplung, und in Abb. 16 und 17 – Varianten des ultralinearen Einschlusses (Strahltetroden) von Pentoden [8, 9]. Durch die lokale Rückkopplung in einer Kaskade mit abgeschirmten Lampen kann die Linearität von Lampen und Transformatoren deutlich verbessert werden.
Die theoretischen Annahmen wurden an drei Modellen getestet, die nach den in Abb. gezeigten Schemata zusammengestellt wurden. 10, 11 und 14. Die grundlegende Einzelzykluskaskade einer 6P1P-Lampe entspricht der in Abb. gezeigten Schaltung. 1; In allen Fällen wurden die gleichen Lampen und Ausgangstransformatoren verwendet. Die Lastimpedanz und der Lampenmodus wurden auf der Grundlage der Erzielung eines minimalen Oberschwingungspegels bei einer bestimmten Leistung ausgewählt. Numerische Messergebnisse sind in der Tabelle angegeben. 3 und die Spektren des Ausgangssignals - in Abb. 18-21 bzw.
Wie aus den Ergebnissen hervorgeht, kann selbst die Verwendung zufällig ausgewählter Lampen und Transformatoren den Pegel der geraden Harmonischen drastisch reduzieren und die Linearität der Kaskade erhöhen. Das Ausgangssignalspektrum einer Shared-Load-Transformatorstufe ähnelt dem einer herkömmlichen Gegentaktstufe. Die besten Ergebnisse liefert erwartungsgemäß eine Stufe mit lokaler Rückkopplung, die die ungeraden Harmonischen der Verzerrung wirksam reduziert.
Literatur
Autor: E. Karpov, Odessa, Ukraine
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