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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Cascate di trasformatori con eccitazione parafasica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza a valvole L'articolo presenta le versioni originali dei circuiti delle cascate di lampade a trasformatore. Combinazioni di due cascate a ciclo singolo con eccitazione in parafase consentono di ottenere interessanti modifiche, simili alle cascate push-pull. Vengono descritti i loro vantaggi e svantaggi, vengono fornite formule di calcolo e risultati della ricerca sui parametri. Le opzioni per gli stadi di uscita degli amplificatori a valvole considerate in questo articolo traggono il loro pedigree da un normale stadio di uscita a ciclo singolo [1,2]. Il risultato ottenuto è un chiaro compromesso, ma ciascuna delle varianti degli schemi descritti presenta alcuni vantaggi e giudica tu stesso quanto siano preziosi. Stadi del trasformatore con alimentazione in parallelo Inizialmente, ho utilizzato lo stadio di uscita nell'amplificatore secondo il circuito mostrato in fig. 1, forzatamente, nonostante i suoi difetti [3]. Infatti, il suo principale vantaggio è l'assenza di magnetizzazione permanente del trasformatore di uscita. Ciò consente di migliorare i parametri della cascata aumentando l'induttanza degli avvolgimenti e (o) riducendo i parametri parassiti del trasformatore. In una tale cascata con un carico parallelo, l'inversione di magnetizzazione del circuito magnetico avviene in un anello simmetrico. Questo è "buono" perché in esso non compaiono nemmeno le armoniche e l'intervallo consentito di induzione aumenta; "cattivo" perché quando l'induzione passa per lo zero, la curva di magnetizzazione è essenzialmente non lineare.
Se il trasformatore opera su un loop di rimagnetizzazione simmetrico, nulla impedisce che la cascata si trasformi in push-pull, aggiungendo i suoi vantaggi e svantaggi a quelli già disponibili. Naturalmente, si può porre una domanda ragionevole: perché farlo? Cercherò di rispondere. Quando sviluppano UMZCH a valvole, cercano di ottenere l'amplificazione più lineare, senza distorsioni, prima di tutto con metodi che consentono di sopprimere la non linearità indesiderata senza utilizzare il feedback generale. Le cascate push-pull consentono di aumentare la linearità di potenti cascate utilizzando metodi parametrici senza l'introduzione di feedback, utilizzando la simmetria della struttura. I metodi discussi in [4] per sopprimere anche le armoniche nelle cascate a ciclo singolo selezionando i tipi e le modalità delle lampade sono meno universali rispetto alla struttura push-pull. Di conseguenza, le armoniche dispari sono dominanti nello spettro del segnale di uscita, ma il loro livello è di un ordine di grandezza inferiore rispetto a quelle pari soppresse, quindi sono molto più facili da gestire con altri metodi. Una cascata a ciclo singolo è fondamentalmente asimmetrica. La conseguenza di ciò è che i tassi di salita e discesa dei fronti di segnali di natura pulsata sono fondamentalmente diversi. Porta anche ad un aumento del livello di distorsione di fase. Nelle cascate push-pull, questo inconveniente è meno pronunciato. Un circuito in cascata push-pull da quello originale (secondo la Fig. 1) può essere ottenuto accendendo il carico tra le uscite di due cascate a ciclo singolo con alimentazione parallela e, di conseguenza, l'eccitazione di queste cascate con un segnale parafase ( figura 2). Per lampade con una bassa tensione di polarizzazione, il circuito mostrato in fig. 3, poiché in questo caso non è richiesta una sorgente di polarizzazione separata. In effetti, questo circuito è simile a una cascata differenziale convenzionale. Il normale funzionamento di queste cascate è possibile solo in classe A. Se le lampade sono identiche, il guadagno di tale stadio per segnali bifase
dove (μ è il guadagno della lampada; R, è la sua resistenza interna; RH è la resistenza di carico e la resistenza di uscita
Un condensatore di isolamento Cp può essere assente in determinate condizioni, ma senza mantenere tensioni uguali agli anodi delle lampade, deve essere utilizzato. Inoltre, la presenza di questo condensatore consente di modificare in modo indipendente e all'interno di un'ampia gamma la modalità di funzionamento di ciascuna lampada in cascata. Diventa possibile impostare la modalità di funzionamento in cascata con il livello desiderato di armoniche pari, anche per lampade con caratteristiche significativamente differenti.
Come risultato di questa modifica si ottiene un raddoppio della potenza di uscita, oltre alla compensazione delle armoniche pari delle lampade e del trasformatore. Diventa possibile regolare lo spettro della distorsione del segnale. È consentito ridurre le dimensioni del trasformatore o, a parità di dimensioni, migliorarne i parametri. In assenza di magnetizzazione del trasformatore, il suo design è semplificato. In questo caso, tuttavia, sarà necessaria una tensione di alimentazione più elevata, anche se l'efficienza anche teoricamente non supererà il 25%. L'impedenza di uscita dello stadio modificato è doppia e il livello delle armoniche dispari è più alto, poiché la corrente del segnale scorre attraverso due lampade. Naturalmente, il più spiacevole degli svantaggi sono le armoniche dispari, per sopprimere le quali è consigliabile introdurre un feedback locale nello stadio di uscita. È più ottimale utilizzare il feedback catodico qui, come mostrato in Fig. 4. Vediamo cosa succede quando viene introdotto il feedback su un esempio reale.Secondo la teoria del feedback [3], la diminuzione del livello delle componenti armoniche Un della distorsione è proporzionale alla profondità del feedback A:
dove Un os è il livello della n-esima componente armonica nell'amplificatore con OOS. Nella regione delle medie frequenze, è del tutto accettabile considerare quantità non complesse, ma i loro moduli, cosa che continueremo a fare. Il FOS nel circuito catodico della lampada è un feedback di tensione in serie, in questo caso il guadagno KOS dell'amplificatore coperto dal feedback è pari a:
dove K è il guadagno dell'amplificatore senza retroazione; β è il guadagno del circuito di retroazione. Il denominatore dell'espressione (4) corrisponde al valore A di cui abbiamo bisogno:
Per questa fase è auspicabile l'utilizzo di una lampada con guadagno massimo e livello minimo di terza armonica. Dopo aver scelto il tetrodo a fascio 6P1P, impostiamo il guadagno desiderato Kos = 3 (questo valore in un vero amplificatore è solitamente determinato dalle capacità dello stadio dell'invertitore di fase front-end). Sostituendo il valore di Kos nell'equazione (4), calcoliamo la profondità di retroazione A.
Ora, in accordo con l'espressione (3), ricalcoliamo i livelli delle componenti armoniche, assumendo che le armoniche pari siano completamente compensate (vedi Tabella 1).
Per gli esperimenti è stato utilizzato uno stadio di uscita assemblato secondo lo schema di Fig. 5. 3 (corrisponde alla struttura circuitale di Fig. XNUMX).
Sulla fig. 6 mostra lo spettro del suo segnale di uscita. I risultati sperimentali della misurazione delle distorsioni differiscono dai valori calcolati del 20...25% (nella direzione del deterioramento). Ciò è spiegato anche dalla compensazione incompleta anche delle armoniche: sono state utilizzate lampade senza selezione preliminare. La linearità della nuova versione dell'amplificatore è notevolmente superiore; La cascata con retroazione catodica è particolarmente attraente [5, 6], in questo caso tutti i suoi parametri sono migliorati.
Il limite principale nell'uso pratico di tale cascata è la sua bassa efficienza; con lampade comuni è possibile ottenere una potenza di uscita fino a 2 ... 3 watt. L'uso di un tale schema a cascata è consigliabile, prima di tutto, se sono presenti trasformatori di uscita già pronti utilizzati in cascate a ciclo singolo di vecchie apparecchiature radio (la lacuna nel trasformatore dovrebbe essere eliminata). Si adatta bene anche allo stadio di uscita di un amplificatore telefonico di alta qualità, soprattutto se è stato appositamente realizzato un trasformatore. Sulla fig. La figura 7 mostra lo spettro del segnale di uscita di un tale amplificatore; ad una potenza massima di 0,6 W, il coefficiente armonico totale dell'intero percorso non supera lo 0,06%. L'approccio proposto può essere applicato ad altre versioni della cascata alimentata in parallelo sostituendo le sorgenti di corrente negli anodi delle lampade con una bobina con due avvolgimenti accoppiati magneticamente. A seguito dell'introduzione del secondo gruppo di avvolgimento, si otterrà una cascata simmetrica con un carico di strozzatura (Fig. 8) e un'efficienza che raggiunge già il 50%.
Il trasferimento di sorgenti di corrente o di un'induttanza al circuito catodico delle lampade fornisce un inseguitore catodico simmetrico (Fig. 9). Quest'ultima versione del circuito è di interesse pratico per l'uso negli stadi di uscita di preamplificatori con uscita a trasformatore, nonché per amplificatori telefonici. Nella cascata secondo lo schema di Fig. 4, pentodi e tetrodi a fascio possono essere utilizzati con successo eliminando il resistore Rk e applicando una polarizzazione fissa. Stadio di uscita del carico diviso Durante la ricerca di un'utile modifica di una struttura simmetrica, era desiderabile combinare i vantaggi delle cascate monociclo e push-pull senza i loro svantaggi, vale a dire: avere una compensazione parametrica anche delle armoniche quando il nucleo magnetico del trasformatore di adattamento opera su un circuito di rimagnetizzazione privato. A questo proposito, offrirò ai lettori una nuova versione dello stadio finale con un carico diviso - con due trasformatori di uscita (Fig. 10, 11). A mio parere, l'uso di due trasformatori è un prezzo ragionevole per proprietà eccezionalmente buone e un'elevata flessibilità.
La struttura di una cascata push-pull si ottiene combinando gli avvolgimenti secondari dei trasformatori di uscita di due cascate a ciclo singolo e l'eccitazione di queste cascate con un segnale parafase. Di conseguenza, a causa del funzionamento in parafase della cascata, vengono soppresse anche le distorsioni armoniche (ovviamente, tenendo conto del reale coefficiente di asimmetria dei bracci). Può essere pilotato da qualsiasi tipo di stadio ad inversione di fase, può utilizzare qualsiasi lampada e introdurre in ogni braccio vari tipi di retroazioni locali, sia indipendenti che trasversali. Il normale funzionamento dell'amplificatore è possibile solo in classe A. Come si può vedere da questi due schemi, ci sono due opzioni per implementare la cascata, che differiscono in modo significativo nelle proprietà. Se per la corrente continua in entrambe le versioni le lampade sono collegate in parallelo, per la corrente alternata l'accensione delle lampade dipende da come sono collegati gli avvolgimenti secondari dei trasformatori di uscita e da come è collegato il carico ad essi. L'amplificatore ha due trasformatori di uscita e i loro nuclei magnetici funzionano in un circuito di inversione privato. Il lettore sofisticato dirà: questo è uno svantaggio. Sì, dal punto di vista della riduzione dei costi, delle dimensioni della struttura e della complessità, questo è vero, ma se il tema della qualità è in primo piano, questo è un vantaggio. Innanzitutto, viene eliminata la transizione dell'induzione nel trasformatore attraverso lo zero e, di conseguenza, le caratteristiche non linearità del trasformatore a bassi livelli di segnale. In secondo luogo, le correnti di riposo nei bracci della cascata possono essere deliberatamente impostate in modo diverso per poter regolare anche il livello delle armoniche nel segnale di uscita e utilizzare lampade con un'ampia gamma di caratteristiche. La differenza dalla solita cascata push-pull è il luogo in cui vengono compensate anche le armoniche. In un classico amplificatore push-pull, la compensazione avviene nel campo magnetico del trasformatore di uscita; e in una tale cascata combinata - direttamente sulla resistenza di carico. Per ottenere le relazioni progettuali di base e comprendere meglio le proprietà delle cascate, le presentiamo sotto forma di circuiti equivalenti, supponendo che lampade e trasformatori siano gli stessi. Per fare ciò, immaginiamo le lampade come una sorgente equivalente di EMF E con resistenza di uscita Ri o come una sorgente di corrente equivalente I, deviata con resistenza Ri
dove μ è il guadagno della lampada; S è la pendenza della lampada; Uc - tensione sulla griglia di controllo della lampada; Ri è l'impedenza di uscita della lampada. La cascata mostrata in Fig. 10 corrisponde al circuito equivalente di fig. 12a, e la cascata di Fig. 11 - 13, a. Un'ulteriore semplificazione porta ai circuiti mostrati nelle Figg. 12,6, 13,6, 13, rispettivamente.
Nello schema riportato in fig. 10, le lampade sono collegate in corrente alternata in serie - chiamiamo questa serie in cascata (con una corrente comune attraverso gli avvolgimenti secondari). Nello schema di fig. 11 lampade e corrente alternata sono collegate in parallelo al carico, chiamiamo questa cascata parallela (con una tensione comune sugli avvolgimenti secondari). Dai circuiti equivalenti ottenuti è abbastanza semplice ricavare le principali relazioni calcolate [7], che sono riassunte in Tabella. 2.
La scelta del tipo a cascata dipende in gran parte dalle lampade utilizzate. Per tubi di uscita con un'impedenza di uscita relativamente grande e μ elevati, è consigliabile utilizzare uno stadio parallelo. Per triodi ad alta potenza può essere opportuno utilizzare uno stadio in serie. Poiché in questo caso μe è grande il doppio, ciò rende più facile pilotare le valvole di uscita. Negli stadi simmetrici a carico condiviso, è possibile utilizzare con successo trasformatori di uscita standard progettati per stadi single-ended. Feedback in una cascata di carico condivisa Una leggera modifica dello stadio seriale, mostrata in fig. 14 consente di migliorarne i parametri generali. Il trasferimento degli avvolgimenti di uscita e del carico nel circuito catodico delle lampade offre numerosi vantaggi. L'induttanza di magnetizzazione totale aumenta, poiché l'avvolgimento di uscita viene inoltre attivato in serie con l'avvolgimento primario. Il trasformatore di uscita diventa un autotrasformatore, che generalmente ne riduce le dimensioni. In questa cascata è possibile utilizzare trasformatori standard senza avvolgimento aggiuntivo.
Inoltre, nel circuito catodico della cascata appare un feedback locale con una corrispondente modifica dei parametri della cascata. Ovviamente, utilizzando trasformatori standard, non possiamo regolare arbitrariamente la profondità di questo feedback, ma è "gratuito". Qui è promettente utilizzare trasformatori con un gran numero di prese sull'avvolgimento secondario, quindi i catodi delle lampade sono collegati ai terminali destinati al carico ad alta resistenza e il carico effettivo, a seconda della sua resistenza, a le prese intermedie omonime. In una cascata secondo questo schema, la componente costante della tensione ai capi del carico è praticamente molto piccola. Ciò è dovuto alla bassa resistenza attiva degli avvolgimenti di uscita (non più di qualche ohm) e all'effettiva differenza di corrente di riposo delle lampade. In pratica, questa tensione non supera i 5 ... 15 mV. Un altro sottoprodotto di questa commutazione del carico è un'uscita differenziale, sebbene anche la versione in serie della cascata fornisca questa caratteristica. Come accennato in precedenza, in cascata con carico condiviso è possibile utilizzare qualsiasi tipo di lampada e vari tipi di feedback locale. A titolo di esempio, in fig. 15 mostra l'inclusione di pentodi con retroazione catodica, e in fig. 16 e 17 - varianti di inclusione ultralineare (tetrodi a fascio) di pentodi [8, 9]. Grazie al feedback locale in cascata con lampade schermate, la linearità di lampade e trasformatori può essere notevolmente migliorata.
Le ipotesi teoriche sono state verificate su tre modelli assemblati secondo gli schemi riportati in fig. 10, 11 e 14. La cascata di base a ciclo singolo su una lampada 6P1P corrisponde al circuito mostrato in fig. 1; in tutti i casi sono state utilizzate le stesse lampade e gli stessi trasformatori di uscita. L'impedenza di carico e la modalità della lampada sono state scelte in base all'ottenimento del livello minimo di armoniche a una data potenza. I risultati delle misurazioni numeriche sono riportati nella tabella. 3, e gli spettri del segnale di uscita - in fig. 18-21 rispettivamente.
Come si può vedere dai risultati, anche l'uso di lampade e trasformatori selezionati casualmente può ridurre drasticamente il livello delle armoniche pari e aumentare la linearità della cascata. Lo spettro del segnale di uscita di uno stadio trasformatore a carico condiviso è simile a quello di uno stadio push-pull convenzionale. I migliori risultati, come previsto, sono forniti da uno stadio coperto da feedback locale, che riduce efficacemente le strane armoniche di distorsione.
Letteratura
Autore: E. Karpov, Odessa, Ucraina
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