Сложение мощностей активных элементов

1.

СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Задача сложения мощностей возникает, когда мощность одного АЭ недостаточна
для получения требуемой мощности передатчика. Особенно при реализации
транзисторных устройств.
Существуют различные способы сложения мощностей.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
При параллельном включении двух АЭ (рис.1) через общую нагрузку ZH
протекает сумма выходных токов активных элементов.
Cбл4
i'ВЫХ
Cбл1
UВХ
I'ВЫХ
i''ВЫХ
UВХ
Lбл2
Lбл1
I''ВЫХ
ZН
UН
Cбл2
Cбл3
EС
EП
а)
б)
Рис.1. Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы УМ с параллельным включением двух АЭ
1

2.

Напряжение на нагрузке UH создается первыми гармониками токов АЭ (рис.1б):
UН=ZНIВЫХ1=ZН(I ВЫХ1+I ВЫХ1)
(1)
Отношение напряжения UH на общей нагрузке к выходному току одного из АЭ
называется кажущимся (ощущаемым) сопротивлением нагрузки для этого АЭ.
Кажущиеся сопротивления для AЭ1 и АЭ2:
Z Н=UН/I ВЫХ1=ZН(I ВЫХ1+I ВЫХ1)/I ВЫХ1=ZН(1+I ВЫХ1/I ВЫХ1)
Z Н=UН/I ВЫХ1=ZН(1+I ВЫХ1/I ВЫХ1)
(2)
Пусть I ВЫХ1, I ВЫХ1 различаются по величине и фазе: I ВЫХ1=K I ВЫХ1, где K=Kejj.
Напряжение на контуре UН=ZНIВЫХ1=ZН(I ВЫХ1+I ВЫХ1)= ZН I ВЫХ1(1+ K).
Ощущаемое сопротивление нагрузки каждого АЭ
Z НОЩ= UН/ I'ВЫХ1=ZН (1+ K)
Z' НОЩ= UН/ I''ВЫХ1=ZН (1+ 1/K)= Z НОЩ/ K
При идентичности I ВЫХ1, I ВЫХ1 Z НОЩ =Z' НОЩ=2Zн.
Согласно (2) взаимодействие активных элементов проявляется в том, что
кажущиеся сопротивления Z НОЩ, Z НОЩ, на которые они нагружены, отличаются от
ZH и зависят от соотношения токов АЭ.
Полезные мощности, отдаваемые АЭ1 и АЭ2, складываются в общей нагрузке:
P1= P 1+P 1=0.5UН·I ВЫХ1cosj Н+0.5UН · I ВЫХ1cosj Н (3)
где j Н и j Н фазы токов I ВЫХ1, I ВЫХ1 относительно напряжения UН.
2

3.

Суммируются и мощности, потребляемые АЭ от источника питания ЕП:
P0= P 0+ P 0=ЕП · I ВЫХ0+ЕП · I ВЫХ0
(4)
Совместная работа АЭ эффективна, когда они идентичны и режим их одинаков.
При этом, если ZH=RН, то в соответствии с (2) ощущаемые ими нагрузки
Z Н=R Н=2 RН
Z Н=R Н=2 RН
(5)
Следовательно, схему можно разбить на два самостоятельных (но не
независимых) усилителя мощности, работающих каждый на нагрузку 2RH.
Для получения максимальной мощности Р1 каждый АЭ должен работать в
критическом режиме на нагрузку R НКР=R НКР. Поэтому входное сопротивление ЦС
должно быть равно RНКР=0,5R НКР=0,5R НКР.
Рассмотрим причины возможного нарушения симметрии режима активных
элементов. Пусть фазы j Н и j Н не совпадают, например, из-за разных значений
фазы крутизны.
При настроенной нагрузке между суммарным током IВЫХ1= I ВЫХ1+I ВЫХ1 и
напряжением UH сдвига фаз нет, но имеется сдвиг фаз j между токами I ВЫХ1 и
I ВЫХ1.
Тогда согласно (2) нагрузка для каждого АЭ будет комплексной:
Z Н=RН(1+еjj/2)
Z Н=RН(1+е–jj/2)
(6)
и полезная мощность каждого упадет до
P1= 0.5 · UНIВЫХ1 cos(j/2)
(7) 3

4.

Различия АЭ по модулю крутизны |S| и напряжению запирания E приводят к
несовпадению углов отсечки и амплитуды импульсов токов I ВЫХ1 и I ВЫХ2 АЭ.
При этом один АЭ может попасть в недопустимо тяжелый режим по току и
мощности рассеяния, а другой, наоборот, может оказаться недогруженным.
Поэтому при включенных параллельно АЭ рекомендуется симметрировать их
режимы. Простейшим способом достижения симметрии транзисторного УМ
является включение последовательно с эмиттерами цепей автосмещения (рис.2а),
стабилизирующих режим каждого транзистора.
Cбл
Lбл2
UВХ
Lбл1
Cбл
RЭ CЭ
RЭ CЭ
Cбл
EП
EС
Рис.2а. Схема УМ с эмиттерным автосмещением
для симметрирования режимов транзисторов
Более лучшая схема симметрирования представлена на рис.2б.
4

5.

Lбл
Cбл
Cр
UВХ
Rдоп
Lбл
CЭ
Cсв
RЭ
Rдоп
RП
EП
C3'= C3''=C3/2;
RП'= RП''=2RП
Lбл
Lбл
CЭ
RЭ
Cбл
Рис.2б. Улучшенная схема симметрирования УМ и режимов
• Разделение L, C элементов на входах и выходах позволяет лучше симметрировать
схему и режимы.
• Rдоп для выравнивания постоянных tэм эмиттерных переходов.
• RЭ для стабилизации и симметрирования режимов.
• Раздельные L, C облегчают реализацию на высоких частотах: L – больше, C –
меньше.
5

6.

Условия совместной работы параллельно включенных в УМ АЭ остаются
справедливыми и для т параллельно включенных АЭ.
При идентичных АЭ для расчета их режимов надо в соответствующих формулах
заменить 2 на т, т. е.
P0=mP 0,
P1=mP 1,
R н=mR н
(8)
и так далее.
Недостатки УМ с параллельно включенными АЭ:
• Необходима синфазность и равенство амплитуд выходных токов (симметрия схемы).
• Увеличивается вероятность паразитных колебаний (нужен монтаж короткими
проводами с малыми L и C).
• Увеличиваются входные, проходные и выходные емкости (затрудняется выполнение
L при высоких частотах L= 1/w2CК), уменьшается r=wL=1/wC.
• Увеличивается вероятность возникновения неисправностей.
6

7.

ДВУХТАКТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Схема УМ с двухтактным включением АЭ (рис. 3) симметрична относительно
точки заземления, а режимы АЭ1 и АЭ2 одинаковы.
i’
Z’
а
C3
C1
uН’
Lбл1
-
+
EС
C2
Cбл1
Lбл2
U’ВХ
C4
3
a
Z1’
О
iЦС
U’’ВХ
Lбл3
Z1’’
а)
Cбл2
uН’’
+
б)
-
iа’’
EП
Z3’’
a’’
Рис. 3. Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы двухтактного усилителя
Цепь согласования с нагрузкой ZП состоит из попарно равных сопротивлений:
Z1 =Z1 =Z1,
Z3 =Z3 =Z3.
Напряжения u Н и u Н между точками Оа' и Оа":
u Н=Z1(iа –iЦС);
где iцс –ток в цепи согласования.
u Н=Z1(iа +iЦС);
(9)
7

8.

Напряжение между анодами (точками а' и а") u H–u H равно
Отсюда
u H–u H = Z1(iа –iа )–2Z1iЦС = (2Z3+ZП)iЦС
(10)
iЦС=(iа –iа )(Z1/Z)
(11)
где Z – сумма сопротивлений при круговом обходе контура ЦС:
Z=2Z1+2Z3+ ZП
(12)
Из (11) найдем n-ю гармонику тока iЦС:
IЦСn=(Iаn - Iаn )(Z1n/Zn),
n=1, 2, 3,…
(13)
где Zln и Zn, Iаn и Iаn –сопротивления Z1 и Z, а также амплитуды анодных токов
АЭ1 и АЭ2 на частотах п-х гармоник.
Если iа =iа , iЦС=0 и мощность в нагрузке не выделяется. Чтобы создать
мощность на выходе УМ, надо поменять на обратное направление одного из токов в
(11), т. е. напряжения возбуждения u ВХ и u ВХ нужно сделать противофазными:
u ВХ=U ВХ cos t
u ВХ= –U ВХ cos t
(14)
Тогда токи iа , iа представленные суммами гармоник, можно записать в виде
iа =Iа0 + Iа1 cost + Iа2 cos2t + Iа3 cos3t +…
iа = Iа0 – Iа1 cost + Iа2 cos2t – Iа3 cos3t +…
(15)
8

9.

iA V1
I A1V 1 cos wt
I A2V 1 cos 2wt
t
U MC coswt
iA V2
U MC coswt
I A 2V 2 cos 2wt
t
I A1V 2 cos wt
я
Рис. Временные диаграммы напряжений возбуждения
и анодных токов и их первых IA1 и вторых гармоник IA2
(импульсы тока изображены с углом q<900)
9

10.

Из (15), (11) следует, что ток контура iЦС при симметрии схемы и режимов АЭ
создается только нечетными гармониками, что облегчает фильтрацию гармоник.
Найдем кажущиеся сопротивления Zа , Zа и мощности P1 , P1 поступающие в ЦС.
Для этого используя (13) определим напряжения U'a и U''a, полагая
U'a= Z1(Iа1 –iЦС)=
{iЦС=(iа –iа )(Z1/Z)}
=Z1Iа1 –Z1(Iа1 –Iа1 )(Z1/Z)=
= –Z1(Iа1 –Iа1 )(Z1/Z)
IЦС1 >>Iа1 , Iа1"
Z12 ' I a''1
I a1 1 '
U
Z I a1
'
a
Z12 '' I a' 1
I a1 1 ''
U
Z I a1
''
a
(16)
Сопротивление (Z12/Z)=Za представляет собой нагрузку одного из АЭ при
отключенном другом. Если Z1=jX1, Z3=jХ3, а нагрузка комплексная ZП=rП+ jXП,
Za= –Z12/Z = X12/(rП+jX)
(17)
где Х = 2Х1+2Х3+ХП – сумма всех реактивных сопротивлений контура .
Если настроить элементы Х3 так, чтобы суммарное реактивное сопротивление
контура X обратилось в нуль, кажущееся сопротивление Za будет вещественным:
Za= Ra = X12/rП
(18)
и в четыре раза меньшим сопротивления контура между точками включения анодов
а'–а" (рис. 3):
Ra’a’’= (2X1)2/rП = 4X12/rП = 4Ra
(19)
10

11.

В случае, когда Х1= –1/wC1, Х3 =wL3, ХП=0, Ra’a’’=rQ является резонансным
сопротивлением контура при полном его включении.
r wL3=2/wC1=2 Х1
U a' 1
I a'' 1
R 'н ' Ra 1 '
Кажущиеся сопротивления
I a1
I a1
U a'' 1
I a' 1
(20)
R ''н '' Ra 1 ''
I a1
I a1
При одинаковых амплитудах и противоположных фазах токов Iа1 и Iа1" их
отношение Iа1 /Iа1"= -1 и кажущиеся сопротивления для АЭ1 и АЭ2 равны
RН = RН = 2Ra = 0,5Ra’a’’ , как и при параллельном включении АЭ.
Следовательно, все рассуждения относительно нагрузочных характеристик,
сложения мощностей, влияния амплитудной и фазовой асимметрии, проводившиеся
для параллельного включения АЭ, справедливы и для двухтактной схемы.
Необходимая мощность возбуждения двухтактного ГВВ PВОЗБ=2PВОЗБ1=UВХ IС1,
где PВОЗБ1=0,5UВХ IС1 – мощность возбуждения 1 лампы, IС1 – амплитуда сеточного
тока 1-ой гармоники 1 лампы.
Двухтактное включение АЭ
часто используется в широкополосных
транзисторных УМ. Разрабатываются специальные транзисторные сборки для
11
работы в двухтактных ГВВ.

12.

На частотах до 10 мГц и Р до десятков
R1
Вт в таких ГВВ используют ферритовые
СР VT1
iA VT1
Тр
1
трансформаторы на входе и выходе.
Применение симметричного
R2
СБЛ
+ЕК СБЛ
трансформатора обеспечивает полное
1
2
R2
подавление четных гармоник IК1 и IК1" в
iA VT2
RП, т.к. токи IК2 и IК2" создают в общем
СР VT2
магнитопроводе взаимно
R1
компенсирующиеся магнитные потоки.
Если к тому же и q=90 , то в токах IК и IК" не будет и высших нечетных
гармоник, т.к. при q=90 a3=a5=a7=…=0.
Тр2
На f >10 мГц проявляются емкостные связи между обмотками, нарушающие
симметрию. В этом случае применяют трансформаторы на линиях (ТЛ).
С ними ГВВ по двухтактной схеме обеспечивают работу до 100 мГц. На более
высоких частотах (до 1000 мГц) двухтактные ГВВ выполняют на «балансных
транзисторах» .
Балансный транзистор представляет собой два транзистора одной проводимости
в одном корпусе, включенных по схеме с ОЭ (или с ОБ) и содержащий входные и
выходные LC–цепи согласования и коррекции АЧХ для заданного диапазона частот
(обычно полоса 100-200 мГц).
12
RН

13.

Емкости СК и индуктивность LКК образуют контур на wср
Преимуществом балансных транзисторов является значительное уменьшение
индуктивности общего вывода (эмиттера). Из-за конструктивной близости
транзисторов индуктивности выводов транзисторов L(1)Э и L(2)Э на порядок меньше,
чем у обычного транзистора, а общая индуктивность LЭОБЩ не вызывает снижения
КР за счет ООС, так как эмиттерные токи обоих транзисторов противофазны и
компенсируются.
13

14.

Преимущества двухтактной схемы
• Главное достоинство–хорошая фильтрация четных гармоник. Это определяет
основную область их применения – многооктавные ШПУ.
• Линейность нагрузки для источника возбуждения (RВХ+=RВХ-).
• Двухкратное уменьшение емкости АЭ, вносимых в LC контур (облегчается
реализация L контура на ВЧ).
• Возможны меньшие требования к величинам Lбл (Подключение к точке с ВЧ
напряжением ~0 В).
• Не требуется симметрирующее устройство при работе на симметричную нагрузку
(или 2 проводный фидер), что упрощает связь ГВВ с антенной.
Недостатки
• Вероятность возникновения паразитных колебаний.
• Удваивается число элементов (уменьшается надежность) и нужен симметричный
монтаж.
• Сложность согласованной перестройки (необходимы специальные конденсаторы
переменной емкости, например «бабочка»).
• Выход одного АЭ (КЗ, обрыв) приводит к выходу из строя оставшегося АЭ.
14

15.

Сложение ВЧ мощности в пространстве
Сложение мощностей можно осуществить в пространстве,
если использовать два или более передатчиков (УМ),
работающих на одной частоте f (от общего возбудителя),
ГВВ1 ГВВ2
нагруженных на свои индивидуальные антенны. Для
ГВВn
ослабления связи между выходными каскадами передатчиков
антенны располагают на расстоянии не менее 3l/4 и питают
их синфазно. Если изменять разность фаз токов, питающих
j2
jn
антенны, то можно управлять направлением и шириной
суммарной диаграммы излучения.
Возбудитель
Сложение электромагнитных полей в пространстве
эквивалентно увеличению мощности в N 2 раз, где N- число
Схема сложения мощностей
передатчиков, так как напряжённость результирующего
в пространстве
электромагнитного поля в зоне приёма увеличивается в N раз.
Способ часто используется на КВ диапазонах. Например,
использование 4-х передатчиков мощностью 1 кВт с штыревыми антеннами, при соответствующей их расстановке и
фазировании, эквивалентны одному передатчику с Р=16 кВт.
15

16.

В СВЧ диапазонах, малые размеры полуволновых вибраторов, расстояний между
ними и малогабаритные ГВВ на ПП приборах с Р=10 Вт и более, позволяют в одной
конструкции объединить до 100…1000 таких ГВВ с антеннами. Такие устройства
называют фазированными антенными решетками (ФАР).
Преимуществом таких систем
является многократное увеличение
колебательной мощности и их высокая
надежность, т.к. отказ даже десятков ВЧ
генераторов мало сказывается на
работоспособности передатчика в целом.
Применение ФАР – радиолокаторы
дальнего обнаружения, радиотелескопы.
Другим способом сложения мощности
ГВВ без их взаимного электрического
влияния друг на друга является
применение мостовых схем.
РЛС Воронеж-М
16

17.

МОСТОВОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Параллельное и двухтактное включение АЭ имеет ряд недостатков, вызванных
взаимной связью АЭ через сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление
источника возбуждения. Важнейшие их них.
• Отказ одного АЭ, может привести к перегрузке и отказу оставшихся АЭ, если
запас по предельно допустимым параметрам мал. Пробой (короткое замыкание) во
входной или выходной цепях одного АЭ выведет из строя весь усилитель при
исправных остальных АЭ.
• Неравномерность распределения токов АЭ из-за разброса параметров усугубляется
связью через общую нагрузку. При некотором сочетании параметров отдельные АЭ
переходят из режима генерации мощности в режим её потребления.
• В усилителях с параллельным и двухтактным включением АЭ из-за усложнения
схемы и увеличения числа паразитных реактивностей более вероятно возникновение
паразитных колебаний.
Устранить недостатки можно, ослабив взаимосвязь между АЭ. Для этого
применяются усилители, построенные по мостовой схеме (рис. 4).
RВН
RП
Рис. 4. Структурная схема
мостового усилителя: МД –мостделитель, МС – мост сумматор
17

18.

В номинальном режиме мост-делитель (МД) распределяет мощности поровну
между АЭ, мост-сумматор (МС) складывает одинаковые мощности АЭ в общем RП.
Деление и сложение мощностей мостами происходит без потерь (предполагаем,
что реактивные элементы мостов идеальны).
МД поддерживает постоянным напряжение возбуждения, а МС – сопротивление
нагрузки AЭ1 при любых изменениях режима АЭ2, и наоборот.
Простейшая мостовая схема для сложения мощностей двух генераторов
гармонических сигналов Г1 и Г2 показана на рис.5.
Г1
I1’’
jX2
I2’’
I2
Г2
I1
jX1
I2’
RН
Rб
I1’
Рис.5. Мостовая схема
сложения мощностей
Мост образован реактивными сопротивлениями Х1,
Х2 (ёмкостного или индуктивного характера) и активными сопротивлениями: RН - нагрузки, Rб - балластным
сопротивлением.
Без Rб нельзя сбалансировать мост и этим развязать
генераторы. Rб называют сопротивлением развязки.
При балансе моста: Х1Rб = Х2RН , ток генератора Г1
не попадает в ветвь включения Г2 (и наоборот), поэтому
режимы работы Г1 и Г2 не влияют друг на друга.
Пути протекания составляющих комплексных токов
Г1 и Г2 показаны стрелками на рис.5. Комплексный ток
генератора Г1 I1 = I1/ + I1// , а комплексный ток
генератора Г2 I2 = I2/ + I2//.
18

19.

Мощности - выделяемая в нагрузке
PRн
в балластном сопротивлении:
PRб
2
1 /
I1 I 2/ RН ;
2
2
1 /
I1 I 2// Rб .
2
Если обеспечить I1’ = I2’’, то IRб = 0, PRб = 0 и PRН=PГ1+PГ2
Входное сопротивление моста, для генератора Г1:
Z ВХ Г 2
для генератора Г2:
Z ВХ Г 1
(RН jX 1 )(Rб jX 2 ) .
RН Rб j ( X 1 X 2 )
j ( X 1 X 2 ) ( RН Rб )
RН Rб j ( X 1 X 2 )
;
Целесообразно для удобства реализации моста принять Х1 = Х2 = Х, тогда
Rб = RН. При этом I2’ = I2’’.
Активная составляющая I1’ тока I1 генератора Г1, протекающая через ветвь из
сопротивлений RН, Rб, в общем случае связана с током I2’ (или I2’’) соотношением
I A I1/ AI1/ e jj AI1/ (cosj j sin j ),
/
2
*
*
где A Ae jj- коэффициент, учитывающий различие токов генераторов по амплитуде и
фазе, протекающих через ветви с сопротивлениями RН, Rб.
*
/
I Rн I1 1 A .
Результирующий ток через сопротивление нагрузки RН:
Результирующий ток через балластное сопротивление Rб:
I Rб
*
I 1 A .
/
1
19

20.

Амплитуды токов через нагрузку RН и балластное сопротивление Rб, соответственно,
I Rн I1/
(1 A cosj )2 ( A sin j )2
I1/ 1 2 A cos j A2 .
I Rб I1/
(1 A cosj )2 ( A sin j )2
I1/ 1 2 A cos j A2 .
Мощности, выделяющиеся на сопротивлениях нагрузки RН и балластном
сопротивлении Rб, соответственно,
1
1 2
2
РRн I Rн RН I1/ RН (1 2 A cos j A2 ).
2
2
1
1 2
2
РRб I Rб Rб I1/ Rб 1 2 A cos j A 2 .
2
2
2
РRн
1
2
A
cos
j
A
КПД моста ηМ
М
.
2
РRн РRб
2(1 A )
Из последнего выражения следует, что при I1/ = I2/ (А = 1) и их синфазности (j= 0)
КПД моста ηМ = 1 (100%). При различии токов I1/ и I2/ <20%, а угла j
не более (5-10)0, потери мощности в Rб не превышают 2%, при j <400 потери <13%.
При выключении (выходе из строя) одного из генераторов (А = 0 или А = ∞) КПД
моста ηМ = 0,5 (50%), т.е. половина мощности работающего генератора теряется на
Rб, что невыгодно.
Поэтому при выключении одного из генераторов целесообразно работающий
генератор переключить с моста сложения непосредственно на полезную нагрузку.
20
Обычно это делается автоматически.
(
)

21.

Переключение работающего генератора на нагрузку, минуя мост, просто
осуществить, если входное сопротивление моста равно RВХ= RН.
Рассмотренная схема моста не обладает таким свойством. Другой ее недостаток ни одна из точек моста не имеет соединения с землёй.
Если в схеме моста (рис.5) вместо генераторов Г1, Г2 включить сопротивления,
комплексно-сопряжённые с ZВХ Г1, ZВХ Г2, а вместо RН, Rб включить генераторы Г1, Г2,
то генераторы также будут работать независимо друг от друга, то есть
преобразованная схема (рис.6) имеет свойства электрического моста.
(Rб)
Z*
jX1
Г1
ВХ Г1
jX2
Z*ВХ Г2 Г2
(RН)
Рис.6. Преобразованная
схема моста
Z*ВХГ1, Z*ВХГ2–комплексно-сопряжённые с ZВХГ1, ZВХГ2
сопротивления.
При соответствующих амплитудных и фазовых
соотношениях между токами Г1, Г2 суммарная мощность
выделяется на активной составляющей Z*ВХГ2 (RН).
Преимущество схемы в том, что оба генератора и Z*ВХГ2
имеют соединение с землёй.
Если в схеме классического моста (рис.5),
Х1=Х2= Х, RН = Rб= |X|, то и преобразованная схема (рис.6.)
оказывается симметричной по отношению к каждому из генераторов, обеспечивает
суммирование равных мощностей идентичных генераторов.
При этом активная и реактивная составляющие входного сопротивления Z*ВХГ2 равны
по величине RН, но характер реактивности противоположен характеру Х.
21

22.

При
Х1=Х2= Х, RН = Rб= |X|
Г1
*
Z вхГ1
R jR
I1’’
jX2
I2
I1
jX1
I2
’’
Г2
j ( X 1 X 2 )(Rн Rб )
R jR
Rн Rб j ( X 1 X 2 )
Z вхГ1
I2’
Z вхГ2
(Rн jX1 )(Rб jX 2 ) R j R
Rн Rб j ( X 1 X 2 ) 2
2
*
Z вхГ2
R
R
j
2
2
Z*ВХГ1 2R =R
Н
Б
RН
Rб
I1
Z*
– j2RН
’
ВХ Г1
Z*ВХ Г2
Г1
jX1
Г1
jRН
jRН
– jRН
jX2
Z*ВХ Г2
(RН)
Г2
RН
Г2
X1 = X2 = X > 0
Рис. 7. Т-образный мост
22

23.

Активная и реактивная составляющие для комплексносопряжённого сопротивления Z*ВХГ1 в преобразованной
схеме равны, соответственно, 2RН и –j2X. Активное
сопротивление 2RН в ветви Z*ВХ Г1 является балластным
сопротивлением, а полезная нагрузка RН должна входить в
качестве активного сопротивления в ветвь Z*ВХ Г2 (рис. 7).
Входные сопротивления Т-моста оказываются равными
RН со стороны каждого генератора, как в номинальном
рабочем режиме, так и при отклонении от него, в том числе
и при выходе из строя одного из генераторов.
Z*ВХГ1
2RН=RБ
– j2RН
jRН
jRН
Г1
Z*ВХ Г2
– jRН
RН
X1 = X2 = X > 0
Рис. 7. Т-образный мост
Входное сопротивление
Т-моста для Г1 при КЗ Г2
i r r ( i r)
r i r
2 i r 2 r
i r
i r r
2 i r 2 r
i r
r i r
i r r ( i r)
r i r
2 i r 2 r
i
r
i r r
2 i r 2 r
i r
r i r
r
23
Г2

24.

Схема усилителя о синфазными мостами, для суммирования мощностей
синфазных генераторов и для получения синфазных напряжений в режиме деления
мощности приведена на рис. 8.
RВН
2RБАЛД
2RБАЛС
Рис.8. Схема усилителя с синфазными мостами
Rп

25.

Фазовое условие компенсации выполняется, так как напряжение, поступающее
на выход АЭ2 от АЭ1 (или наоборот к АЭ1 от АЭ2) через канал нагрузки,
запаздывает на 180° по отношению к напряжению, поступающему через балластное
сопротивление из-за наличия двух П-образных звеньев, каждое из которых сдвигает
напряжение по фазе на 90°.
Таким образом, реактивная часть синфазного моста является фазовращателем
на 180°. В качестве фазовращателя могут использоваться сосредоточенные LC-цепи,
отрезки линий, трансформаторы на феррите и др.
а)
б)
в)
г)
Схемы фазовращающих цепочек
На практике целесообразно применять фазовращающие цепи а) и б), так они
обеспечивают еще и ослабление высших гармоник.
25

26.

Амплитудное условие компенсации требует определенного соотношения между
2RБАЛС, RП и реактивными элементами моста. Изменение любого из этих
параметров вызовет появление связи между АЭ.
Аналогично обстоит дело с развязкой во входной цепи усилителя. Здесь также
необходимо определенное соотношение между RВН источника, 2RБАЛД делителя и
реактивностями МД. Отклонение, например, RBH от номинального значения
нарушит развязку между входами АЭ.
Усилители с синфазными мостами не отличаются от усилителя на одиночном
АЭ, потому что в симметричном режиме ток через балластные резисторы
отсутствует. Это объясняется равенствами UВЫХ1=UВЫХ2, UBX1=UBX2 в силу
симметрии мостового усилителя.
Недостатком усилителей с Т-мостами на сосредоточенных LC элементах
является то, что условие баланса моста выполняется только на одной частоте. При
отклонении от этой частоты условие баланса моста нарушается и развязка
генераторов ухудшается.
26

27.

На низких частотах КВ диапазона применяют Т-образные
Тр Rб
мосты с использованием трансформаторов обмоточного типа с
коэффициентом трансформации 1:1, обеспечивающие развязку
генераторов в широкой полосе частот (рис.9).
Г
Г
1
В СВЧ диапазоне применение элементов с сосредоточенными
2
параметрами затруднено, так как L и C становятся малыми. И
RН
паразитные индуктивности проводов и ёмкости элементов
нарушают работу схемы.
рис.9
Поэтому начиная с метрового диапазона волн, применяются мостовые схемы
сложения мощностей, построенные на отрезках длинных линий длиной l/4 для
средней частоты fсредн.
По мере увеличения рабочих частот используются двухпроводные, коаксиальные,
полосковые или микрополосковые линии.
Входное сопротивление четвертьволнового отрезка линии с волновым
сопротивлением Z0, нагруженного на сопротивление 2RН, как известно, равно:
Z ВХ
Z 02
2 RН
Z 0 2 RН
RН
ZВХ= RН
Если Z 0 2RН , то оказывается ZВХ = RН. Обеспечение ZВХ = RН удобно при
использовании системы обхода моста в аварийном режиме, когда работающий
генератор может быть непосредственно подключен к нагрузке RН без какой-либо
регулировки режима генератора.
27

28.

Если оба генератора одинаковы, то можно считать, что каждый из них
соединяется через отрезок линии длиной λ/4 с сопротивлением нагрузки 2RН.
Сопротивление нагрузки RН удваивается, так как результирующий ток через это
сопротивление вдвое больше тока через него одного генератора. Следовательно,
ощущаемое сопротивление одним генератором возрастает в два раза.
Rб
Rб
Г
ℓ
ℓ
Г
Г1
ℓ
ℓ
2
1
2
RН
RН
а
Rб = 2RН, l= λ/4
Г
Конструкции Y и U мостов для
сложении
мощностей
двух
генераторов
напоминают
соответствующие символы, как
показано на рис. (оплётки
отрезков коаксиальной линии не
показаны).
б
Волновое сопротивлении линии моста выбирают из условия Z 0 2 RН .
Сопротивление балластного резистора Rб = 2RН. При этих условиях на рабочей
частоте fсредн при любых режимах генераторов входное сопротивление моста для
каждого из генераторов
Z 02
Z ВХ
RН
2 RН
Так как ℓ = λ/4 обеспечивается только на одной частоте, то рассматриваемые
мосты на линиях оказываются узкополосными и используются в полосах частот
до 5% от средней частоты, что также является их недостатком.
28

29.

Конструкция моста на микрополосковых линиях (МПЛ) реализуется в форме
кольца, образуемого полоской линии (рис.10, общая проводящая поверхность МПЛ
не показана), что послужило основанием для названия такого моста: укороченное
кольцо.
Rб
Выполнение моста в форме части кольца
позволяет обеспечить присоединение балластного
резистора Rб без дополнительных проводов,
ℓ
ℓ
Г1
Г2
создающих
индуктивное
сопротивление
и
соответственно
нарушающих
работу
моста.
Балластный резистор может быть изготовлен вместе
Z 0 2 RН
RН
с МПЛ путём напыления высокоомного материала.
Rб = 2RН
Рис. 10
λ/4
λ/4
RН
Z0
Z0
λ/4
Г1
Г2
λ/4
Z0
Z0
Rб
Рис.11
Для
суммирования
мощностей
двух
симметричных (двухтактных) генераторов можно
применить мост на отрезках двухпроводной линии,
показанный на рис.11 длиной ℓ = λ/4 на fсред. Так как
длина всех отрезков одинакова, то мост сохраняет
симметрию на любой частоте. Ток в балластном
резисторе рассматриваемого моста отсутствует на
любой частоте благодаря перевороту фазы сигнала
одного из генераторов за счёт перекрещивания
проводов у одного из отрезков.
29

30.

Известна схема моста (рис. 12) на отрезках коаксиальной линии, обеспечивающая
сложение мощностей двух генераторов в нагрузке RН и позволяющая соединить
балластный резистор Rб с землёю (корпусом) устройства, что упрощает отвод тепла
от балластного резистора в аварийном режиме. В данной схеме синфазные
генераторы соединяются с нагрузкой RН отрезками линии длиной ℓ = λ/4,
соответствующей средней частоте, а с балластным резистором Rб один из
генераторов соединяется через отрезок длиной ℓ = λ/4, а другой – через отрезок
длиной ℓ = (3/4)λ. При этом токи генераторов в нагрузке оказываются в фазе, так как
проходят равные пути, и суммируются, а в балластном резисторе токи генераторов
оказываются в противофазе, так как ток одного генератора проходит путь на
полволны больше, и соответственно вычитаются. Баланс моста обеспечивается на
частоте, длина волны колебаний которой соответствует указанным длинам отрезков.
λ/4
RН
Г
1
λ/4
Г
λ/4
RН
2
рис. 12 а,б
(3/4)λ
Z 0 2 RН
Г1
Rб
Rб
λ/4
2
(3/4)λ
λ/4
Г
λ/4
Rб = 2RН
30

31.

Некоторые типы мостовых усилителей помимо развязки обладают еще одним
важным свойством. Их входное и выходное сопротивление не зависят от параметров
АЭ при идентичности последних. Это возможно при условии, что напряжения на
выходе МД равны по амплитуде и сдвинуты на 90° U1= jU2.
Такие мосты называют квадратурными.
31

32.

Недостаток мостового метода развязки генераторов, работающих на общую
нагрузку: КПД моста снижается, когда соотношение напряжений на входах моста
отличается от номинального. При этом через Rб начинает течь ток, и часть мощности
рассеивается в них. Сохранить КПД мостовой суммирующей цепи близким к 100%
при отключении нескольких генераторов или изменении соотношения их
напряжений невозможно без коммутации выходных цепей усилителей.
Если необходимо суммировать мощность большого числа АЭ, применяют более
сложные схемы мостов, например многополюсные мосты, а также попарное
RВН
RП
Рис. 12. Схема мостового усилителя
на многополюсных мостах
суммирование
мостов
(можно
объединить до 16 АЭ) (рис.12,13).
В схеме на рис.12. складываются
мощности N АЭ в общей нагрузке без
потерь в балластных резисторах лишь
при равенстве модулей и совпадении
фаз выходных токов АЭ: I1=I2=...= In.
В
реальных
условиях
эти
соотношения могут нарушаться по ряду
причин, например может отказать один
или несколько АЭ.
Кроме того, токи I1, I2,...In практически всегда несколько различаются
32
вследствие технологического разброса параметров АЭ.

33.

ВЫХОД
8РГ
4РГ
2РГ
М7
2РГ
М5
Rб
4РГ
2РГ
Rб
М3
Rб
Rб
РГ
Rб
М2
М1
РГ
РГ
2РГ
М6
М4
Rб
РГ
РГ
Rб
РГ
РГ
РГ
Рис.13а. Метод попарного суммирования мостов
Рис.13б. Сложная схема соединения мостов
33

34.

При отказе М генераторов из общего числа N общий ток в нагрузке I0AВAP
составит I0AВAP=(1–М/N)I0, а выходная мощность упадет до
P АВАР=P1 (1–M/N)2 = P1 (N–M)2/N2
(22)
где P1 – выходная мощность одного из генераторов.
В балластных резисторах моста-сумматора будет рассеиваться мощность
Pбал= (N–M)P1–P АВАР=P1M(1–M/N)
(23)
КПД моста-сумматора в аварийном режиме равен
МАВАР= P АВАР/(N–M)P1=1–M/N
Мощность в нагрузке мостовой схемы при отказе М активных элементов из N
гарантирована при разных видах отказов АЭ (замыкание, обрыв, старение и т. д.).
Такой гарантии не дают другие методы сложения мощностей.
Мостовые схемы сложения мощностей генераторов широко используются при
построении выходных каскадов телевизионных, ЧМ РВ радиопередатчиков.
Уменьшение мощности телевизионного радиопередатчика в 2 раза лишь
сокращает зону уверенного приёма телевидения.
34