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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cascadas de transformadores con excitación en parafase. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de potencia de tubo El artículo presenta versiones originales de circuitos para etapas de tubos de transformadores. Las combinaciones de dos cascadas de un solo ciclo con excitación parafásica permiten obtener modificaciones interesantes similares a las cascadas push-pull. Se describen sus ventajas y desventajas, se dan fórmulas de cálculo y resultados del estudio de los parámetros. Las variantes de etapas de salida de amplificadores de válvulas analizadas en este artículo tienen su origen en una etapa de salida ordinaria de un solo extremo [1,2]. El resultado es un claro compromiso, pero cada una de las opciones de los esquemas descritos tiene algunas ventajas, y juzgue usted mismo lo valiosas que son. Etapas de transformador con alimentación en paralelo Inicialmente utilicé una etapa de salida en el amplificador según el circuito que se muestra en la Fig. 1, de forma obligada, a pesar de sus carencias [3]. De hecho, su principal ventaja es la ausencia de magnetización permanente del transformador de salida. Esto le permite mejorar los parámetros de la cascada aumentando la inductancia de los devanados y (o) reduciendo los parámetros parásitos del transformador. En una cascada de este tipo con suministro de energía paralelo a la carga, la inversión de magnetización del circuito magnético se produce en un bucle simétrico. Esto es "bueno" porque en él ni siquiera surgen armónicos y aumenta el rango de inducción permitido; “malo” porque cuando la inducción pasa por cero, la curva de magnetización es significativamente no lineal.
Si el transformador funciona en un bucle de inversión de magnetización simétrico, nada impide convertir la cascada en push-pull, sumando sus ventajas y desventajas a las existentes. Naturalmente, cabe hacer una pregunta razonable: ¿por qué hacer esto? Intentaré responder. Al desarrollar UMZCH de válvulas, intentan lograr la máxima amplificación lineal y sin distorsión, en primer lugar, mediante métodos que permitan suprimir la no linealidad no deseada sin utilizar retroalimentación general. Las cascadas push-pull brindan la oportunidad de aumentar la linealidad de cascadas potentes utilizando métodos paramétricos sin introducir retroalimentación negativa, utilizando la simetría de la estructura. Los métodos para suprimir armónicos pares en cascadas de un solo extremo mediante la selección de los tipos y modos de lámparas analizados en [4] son menos universales en comparación con una estructura push-pull. Como resultado, los armónicos impares dominan el espectro de la señal de salida, pero su nivel es un orden de magnitud menor que el de los pares suprimidos, por lo que es mucho más fácil tratarlos utilizando otros métodos. La cascada de un solo extremo es fundamentalmente asimétrica. La consecuencia de esto es que las velocidades de subida y bajada de los flancos de las señales pulsadas son fundamentalmente diferentes. Esto también conduce a un mayor nivel de distorsión de fase. En las cascadas push-pull esta desventaja es menos pronunciada. El circuito de una cascada push-pull del original (según la Fig. 1) se puede obtener conectando una carga entre las salidas de dos cascadas de un solo ciclo con alimentación en paralelo y, en consecuencia, excitando estas cascadas con una señal parafásica. (Figura 2). Para lámparas con voltaje de polarización bajo, el circuito que se muestra en la Fig. es más conveniente. 3, ya que en este caso no se requiere una fuente de sesgo separada. De hecho, este circuito es similar a una etapa diferencial convencional. El funcionamiento normal de estas cascadas sólo es posible en la clase A. Si las lámparas son idénticas, entonces la ganancia de dicha etapa para señales parafásicas
donde (μ es la ganancia de la lámpara; R es su resistencia interna; RH es la resistencia de carga y la resistencia de salida
El condensador separador Cp, en determinadas condiciones, puede estar ausente, pero sin mantener voltajes iguales en los ánodos de las lámparas, debe utilizarse. Además, la presencia de este condensador le permite cambiar de forma independiente y dentro de un amplio rango el modo de funcionamiento de cada lámpara en la cascada. Es posible configurar el modo de funcionamiento en cascada con el nivel deseado de armónicos pares, incluso para lámparas con características significativamente diferentes.
Como resultado de esta modificación se consigue duplicar la potencia de salida, así como compensar los armónicos pares de las lámparas y del transformador. Es posible ajustar el espectro de distorsión de la señal. Está permitido reducir las dimensiones del transformador o, con las mismas dimensiones, mejorar sus parámetros. En ausencia de polarización del transformador, su diseño se simplifica. En este caso, sin embargo, se necesitará una tensión de alimentación más alta, aunque la eficiencia, incluso en teoría, no superará el 25%. La impedancia de salida de la etapa modificada es el doble y el nivel de armónicos impares es mayor, ya que la corriente de señal fluye a través de dos lámparas. Por supuesto, la desventaja más desagradable son los armónicos impares, para suprimirlos es aconsejable introducir retroalimentación local en la etapa de salida. Lo más óptimo es utilizar retroalimentación catódica aquí, como se muestra en la Fig. 4. Veamos qué sucede al introducir realimentación usando un ejemplo real: De acuerdo con la teoría de la realimentación [3], la reducción en el nivel de los componentes armónicos Un de la distorsión es proporcional a la profundidad de la realimentación A:
donde Un os es el nivel del componente armónico n-ésimo en el amplificador con OOS. En la región de las frecuencias medias, es bastante aceptable considerar no cantidades complejas, sino sus módulos, lo cual haremos en el futuro. El OOS en el circuito catódico de la lámpara es una retroalimentación de voltaje en serie, en este caso la ganancia Cos del amplificador cubierta por la retroalimentación es igual a:
donde K es la ganancia del amplificador sin retroalimentación; β es el coeficiente de transmisión del circuito de retroalimentación. El denominador de la expresión (4) corresponde al valor A que necesitamos:
Para esta etapa es recomendable utilizar una lámpara con máxima ganancia y mínimo nivel de tercer armónico. Habiendo elegido el tetrodo de haz 6P1P, establecemos la ganancia deseada Kos = 3 (este valor en un amplificador real generalmente está determinado por las capacidades de la etapa inversora de fase preterminal). Sustituyendo el valor de KOS en la ecuación (4), calculamos la profundidad de retroalimentación A.
Ahora, de acuerdo con la expresión (3), volvemos a calcular los niveles de los componentes armónicos, asumiendo que los armónicos pares están completamente compensados (ver Tabla 1).
Para realizar los experimentos se utilizó una etapa de salida, ensamblada según el circuito de la Fig. 5 (corresponde a la estructura del circuito en la Fig. 3).
En la Fig. La Figura 6 muestra el espectro de su señal de salida. Los resultados experimentales de las mediciones de distorsión difieren de los valores calculados en un 20...25% (en la dirección del empeoramiento). Esto también se explica por una compensación incompleta de los armónicos pares: las lámparas se utilizaron sin una selección previa. La linealidad de la nueva versión del amplificador es significativamente mayor; Resulta especialmente atractiva una cascada con realimentación catódica [5, 6], en cuyo caso se mejoran todos sus parámetros.
La principal limitación en el uso práctico de dicha cascada es su baja eficiencia; Con las lámparas comunes se puede obtener una potencia de salida de hasta 2...3 W. El uso de un circuito de cascada de este tipo es aconsejable, en primer lugar, si hay transformadores de salida ya preparados que se utilizan en cascadas de un solo extremo de equipos de radio antiguos (debe eliminarse el espacio en el transformador). También es muy adecuado para la etapa de salida de un amplificador telefónico de alta calidad, especialmente si se fabrica un transformador especialmente para él. En la Fig. La Figura 7 muestra el espectro de la señal de salida de dicho amplificador; a una potencia máxima de 0,6 W, el coeficiente armónico total de todo el camino no supera el 0,06%. El enfoque propuesto se puede aplicar a otras versiones de la cascada con suministro de energía en paralelo, reemplazando las fuentes de corriente en los ánodos de las lámparas con un estrangulador con dos devanados acoplados magnéticamente. Como resultado de la introducción de la segunda unidad de bobinado, se obtendrá una cascada simétrica con una carga de aceleración (Fig. 8) y una eficiencia que ya alcanza el 50%.
La transferencia de fuentes de corriente o inductores al circuito catódico de las lámparas produce un seguidor de cátodo simétrico (Fig. 9). La última versión del circuito es de interés práctico para su uso en las etapas de salida de preamplificadores con salida de transformador, así como para amplificadores telefónicos. En cascada según el circuito mostrado en la Fig. 4, los pentodos y tetrodos de haz se pueden utilizar con éxito eliminando la resistencia Rk y aplicando una polarización fija. Etapa de salida de carga dividida Al buscar una modificación útil de la estructura simétrica, era deseable combinar las ventajas de las cascadas de ciclo único y push-pull sin sus desventajas, a saber: tener compensación paramétrica de armónicos pares cuando el circuito magnético del transformador de adaptación funciona en un bucle privado de inversión de magnetización. En este sentido, ofreceré a los lectores una nueva versión de la etapa final con carga dividida, con dos transformadores de salida (Fig. 10, 11). En mi opinión, el uso de dos transformadores es un precio aceptable por sus propiedades excepcionalmente buenas y su alta flexibilidad.
La estructura de una cascada push-pull se obtiene combinando los devanados secundarios de los transformadores de salida de dos cascadas de un solo ciclo y excitando estas cascadas con una señal parafásica. Como resultado, debido al funcionamiento parafásico de la cascada, se suprimen incluso las distorsiones armónicas (por supuesto, teniendo en cuenta el coeficiente de asimetría real de los brazos). Puede excitarse desde cualquier tipo de etapa de fase invertida, puede utilizar cualquier tubo e introducir varios tipos de retroalimentación local en cada brazo, ya sea de forma independiente o transversal. El funcionamiento normal del amplificador sólo es posible en la clase A. Como puede verse en estos dos diagramas, son posibles dos opciones para implementar la cascada, con propiedades significativamente diferentes. Si para corriente continua en ambas versiones las lámparas están conectadas en paralelo, entonces para corriente alterna el encendido de las lámparas depende de cómo están conectados los devanados secundarios de los transformadores de salida y de cómo está conectada la carga a ellos. El amplificador tiene dos transformadores de salida y sus circuitos magnéticos funcionan en un bucle de inversión de magnetización privado. Un lector experimentado dirá que esto es un inconveniente. Sí, desde el punto de vista de la reducción de costos, dimensiones de diseño y complejidad, esto es cierto, pero si la cuestión de la calidad se pone en primer plano, esto es una ventaja. En primer lugar, se elimina la transición de la inducción a través de cero en el transformador y, en consecuencia, las no linealidades características del transformador a niveles de señal bajos. En segundo lugar, las corrientes de reposo en los brazos de la cascada se pueden configurar para que sean diferentes deliberadamente para poder regular el nivel de armónicos pares en la señal de salida y utilizar lámparas con una gran variedad de características. La diferencia con una cascada push-pull convencional es también el lugar donde se compensan los armónicos pares. En un amplificador push-pull clásico, la compensación se produce en el campo magnético del transformador de salida; y en una cascada tan combinada, directamente sobre la resistencia de carga. Para obtener las relaciones calculadas básicas y comprender mejor las propiedades de las cascadas, presentémoslas en forma de circuitos equivalentes, suponiendo que las lámparas y los transformadores son iguales. Para hacer esto, imaginemos las lámparas como una fuente equivalente de fem E con una resistencia de salida Ri o como una fuente de corriente equivalente I, desviada con una resistencia Ri
donde μ es la ganancia de la lámpara; S - pendiente de la lámpara; Uc es el voltaje en la rejilla de control de la lámpara; Ri es la resistencia de salida de la lámpara. La cascada que se muestra en la Fig. 10, corresponde al circuito equivalente de la Fig. 12,a, y la cascada de la Fig. 11 - 13, a. Una mayor simplificación conduce a los circuitos que se muestran en la Fig. 12,6, 13,6, 13.v respectivamente.
En el diagrama que se muestra en la Fig. 10, las lámparas están conectadas mediante corriente alterna en serie; llamemos a esta cascada secuencial (con una corriente común a través de los devanados secundarios). En el diagrama de la Fig. En paralelo a la carga se conectan 11 lámparas y corriente alterna, llamémosla cascada en paralelo (con un voltaje común en los devanados secundarios). A partir de los circuitos equivalentes obtenidos es bastante sencillo obtener las principales relaciones calculadas [7], que se resumen en la Tabla. 2.
La elección del tipo de cascada depende en gran medida de las lámparas utilizadas. Para válvulas de salida con una impedancia de salida relativamente alta y μ alta, es aconsejable utilizar una etapa en paralelo. Para triodos de salida de alta potencia, puede ser recomendable utilizar una etapa en serie. Dado que en este caso μe es el doble, esto facilita la excitación de los tubos de salida. En etapas simétricas con carga dividida, se pueden utilizar con éxito transformadores de salida estándar diseñados para etapas de un solo extremo. Comentarios en una cascada de carga compartida Una ligera modificación de la cascada en serie que se muestra en la Fig. 14, permite mejorar sus parámetros generales. Transferir los devanados de salida y la carga a los circuitos del cátodo de la lámpara proporciona una serie de ventajas. La inductancia magnetizante total aumenta, ya que el devanado de salida está conectado adicionalmente en serie con el devanado primario. El transformador de salida se convierte en un autotransformador, lo que generalmente permite reducir su tamaño. En esta etapa se pueden utilizar transformadores estándar sin devanados adicionales.
Además, aparece retroalimentación local en el circuito del cátodo en cascada con el correspondiente cambio en los parámetros de la cascada. Por supuesto, utilizando transformadores estándar, no podemos ajustar arbitrariamente la profundidad de esta retroalimentación, pero es "gratis". Aquí es prometedor utilizar transformadores con una gran cantidad de tomas en el devanado secundario; luego, los cátodos de las lámparas se conectan a los pines destinados a la carga de mayor resistencia, y la carga real, dependiendo de su resistencia, se conecta al Grifos intermedios del mismo nombre. En una cascada según este circuito, la componente CC de la tensión a través de la carga es prácticamente muy pequeña. Esto se debe a la baja resistencia activa de los devanados de salida (no más de unos pocos ohmios) y a la diferencia real en la corriente de reposo de las lámparas. En la práctica, esta tensión no supera los 5... 15 mV. Otro subproducto de esta conexión de carga es la salida diferencial, aunque la versión en cascada en serie también proporciona esta propiedad. Como se mencionó anteriormente, las etapas de carga compartida pueden usar cualquier tipo de tubo y diferentes tipos de retroalimentación local. Como ejemplo en la Fig. La Figura 15 muestra la inclusión de pentodos con retroalimentación catódica, y la Fig. 16 y 17: opciones para la inclusión ultralineal (tetrodos de haz) de pentodos [8, 9]. Gracias a la retroalimentación local en la etapa de tubos apantallados, se puede mejorar significativamente la linealidad de tubos y transformadores.
Los supuestos teóricos se probaron en tres prototipos ensamblados según los diagramas mostrados en la Fig. 10, 11 y 14. La etapa básica de un solo extremo en una lámpara 6P1P corresponde al circuito que se muestra en la Fig. 1; en todos los casos se utilizaron las mismas lámparas y transformadores de salida. La resistencia de carga y el modo de lámpara se seleccionaron en función de la obtención del nivel mínimo de armónicos a una potencia determinada. Los resultados numéricos de las mediciones se dan en la tabla. 3, y los espectros de la señal de salida se encuentran en la Fig. 18-21 respectivamente.
Como puede verse en los resultados, incluso el uso de lámparas y transformadores seleccionados al azar puede reducir drásticamente el nivel de armónicos pares y aumentar la linealidad de la cascada. El espectro de salida de una etapa de transformador de carga compartida es similar al de una etapa push-pull convencional. Los mejores resultados, como se esperaba, los proporciona una etapa cubierta por retroalimentación local, que reduce efectivamente las distorsiones armónicas extrañas.
Literatura
Autor: E. Karpov, Odessa, Ucrania
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