книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов
..pdfГ.А. ДЕГТЯРЬ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
ВЦЕПЯХ СОГЛАСОВАНИЯ
ИСЛОЖЕНИЕ
МОЩНОСТЕЙ
РАДИОЧАСТОТНЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Средства связи с подвижными объектами», «Защищенные системы связи» направления подготовки дипломированных специалистов «Телекоммуникации»
НОВОСИБИРСК 2 0 0 3
Учебники НГТУ
Серия основана в 2001 году
А.С. Востриков Н.В. Пустовой
Редакционная коллегия:
Ю.А. Афанасьев A. Г. Вострецов B. В. Губарев В.А. Гридчин В.И. Денисов К.Т. Джурабаев В.И. Игнатьев К.П. Кадомская
В.В.Крюков Г.Е. Невская
В.В.Покасов Х.М. Рахимянов Ю.Г. Соловейчик А.А. Спектор А.И. Шалин А.Ф. Шевченко Г.М. Шумский
УДК 621.373.029(075.8) Д 261
Федеральная программа книгоиздания России
Рецензент д-р. техн. наук, проф. А. П. Горбачев
Работа подготовлена на кафедре радиоприемных и радиопередающих устройств
Дегтярь Г. А.
Д 261 Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощ ностей радиочастотных генераторов: Учеб, пособие. - Но восибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 504 с. - (Серия «Учебники НГТУ»).
15ВЫ 5-7782-0386-1
Настоящее учебное пособие посвящено вопросам применения транс форматоров в цепях согласования генераторов с внешним возбуждением. Основное внимание уделено трансформаторам на линиях. На основе уравнений связанных линий рассмотрены фазоинвертирующие, симмет рирующие, повышающие, понижающие и развязывающие трансформа торы. При этом уточняются и развиваются известные положения и пред лагаются новые решения. Рассмотрены вопросы сложения мощностей активных элементов, в частности, параллельное и двухтактное включе ние ламп и транзисторов, особенности двухтактной схемы на транзисто рах с построение^ входной и выходной цепи на трансформаторах из отрезкой линий». Рассмотрены мостовые схемы сложения мощностей гене раторов различного назначения и диапазонов частот, используемые для сложения мощностей двух и произвольного числа генераторов, как иден тичных, так и неидентичных.
Пособие будет полезно студентам, обучающимся по радиотехниче ским и родственным специальностям, а также аспирантам и специали стам в области радиотехники и радиоэлектроники.
УДК 621.373.029(075.8)
15ВЫ 5-7782-0386-1 |
© |
Г.А. Дегтярь, 2003 |
|
© |
Новосибирский государственный |
|
|
технический университет, 2003 |
/О настоящем пособии рассматриваются не нашедшие долж- ^ 0 ного освещения в существующих работах вопросы теории трансформаторов на основе отрезков длинных линий. Подобные трансформаторы широко применяются в цепях согласования тран зисторных генераторов. Частично затронуты вопросы, относящиеся к трансформаторам обмоточного типа с использованием кольцевых ферритовых магнитопроводов. Также рассматриваются параллель ное и двухтактное включение ламп и транзисторов, мостовые схемы и реализуемые на их основе системы сложения мощностей высоко частотных (радиочастотных) генераторов. Многие представленные положения также не нашли должного освещения в известных
работах.
По замыслу автора пособие предназначено в первую очередь для студентов при изучении ими таких дисциплин, как «Радиопере дающие устройства», «Устройства генерирования и формирования (радио)сигналов» и родственных дисциплин, входящих в образова тельные программы подготовки специалистов в областях радиосвя зи и радиотехники и связанных с ними областях техники и естест вознания.
Пособие будет полезно также аспирантам, инженерам и науч ным сотрудникам соответствующего профиля, которые найдут в нем как доказательства, объяснения и уточнения ряда используе мых на практике положений, так и новые для них результаты.
Пособие, являясь по содержанию самостоятельным изданием, подготовлено автором в продолжение изданных им ранее работ [1-3].
ГЛАВА 1
ТРАНСФОРМАТОРЫ В ЦЕПЯХ СОГЛАСОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
/П учебных пособиях по курсу «Устройства генерирования 1Ю и формирования радиосигналов» [1-3] рассмотрены прин ципы работы и расчет режимов генераторов с внешним возбужде нием (ГВВ) без учета и с учетом инерционных явлений в активном элементе - электронной лампе, биполярном транзисторе, а также построение цепей согласования активного элемента с полезной на грузкой генератора и основные положения расчета одноконтурных и двухконтурных колебательных систем и родственных им цепей, используемых для согласования генераторов с нагрузкой в полосах частот до (15...30) %. При изложении вопросов теории ГВВ обсуж дались также некоторые схемные решения, в частности, принципи альные схемы ГВВ с общим катодом и с общим эмиттером, схемы ГВВ с общей сеткой и с общей базой, возбуждение транзисторного ГВВ от источника напряжения и от источника тока, реализация це пей согласования - колебательных систем ГВВ на сосредоточенных элементах и с использованием отрезков длинных линий, как оди
ночных, так и связанных.
Транзисторные генераторы, широко применяемые в устройст вах на уровни мощности до нескольких киловатт, часто реализуют ся с использованием так называемых трансформаторов длинной ли нии [4] или трансформаторов на линиях [5, 6]. Изучению таких трансформаторов и посвящена настоящая глава. Некоторое внима ние в ней уделено трансформаторам обмоточного типа на феррито вых сердечниках, также применяемым в транзисторных ГВВ. По принципу действия трансформаторы обмоточного типа подобны «обычным» трансформаторам, используемым, например, в цепях питания переменного напряжения (тока) и в мощных усилителях низких частот.
Излагаемый в настоящей главе материал может считаться про должением работы [3], в которой рассматривалось применение трансформаторов в цепях согласования ГВВ для связи полезной на грузки с контуром и цепей согласования в виде двух связанных контуров с трансформаторной (индуктивной, магнитной) связью. Трансформатор в этих случаях представляет две катушки без сер дечника, взаимное положение которых можно изменять с целью регулировки взаимной индуктивности катушек, а следовательно, и коэффициента связи катушек и контура. Такие трансформаторы обычно называют вариометрами Их также называют высокочас тотными трансформаторами в отличие от «обычных» - низкочас тотных. Вариометры реализуются на частоты до 10 МГц. С повы шением частоты начинает проявляться емкостная связь между ка тушками. Используются подобные трансформаторы в относительно узкополосных цепях.
Вширокодиапазонных и в широкополосных устройствах и на более высоких частотах используются трансформаторы, выполнен ные на кольцевых ферритовых сердечниках. Такие трансформаторы часто называют радиочастотными.
Одной из разновидностей высокочастотных и радиочастотных трансформаторов, как и низкочастотных, является автотрансформа тор.
1.1.ТРАНСФОРМАТОРЫ ОБМОТОЧНОГО ТИПА
Втрансформаторах обмоточного типа связь между катушками, образующими первичную и вторичную обмотки, обеспечивается за счет общего магнитного потока в магнитопроводе. Если в «обыч ных» низкочастотных трансформаторах магнитопровод набирается из пластин или наматывается из ленты специальных сортов элек тротехнической стали, то в радиочастотных трансформаторах обмо точного типа в качестве магнитопровода используются кольце вые ферритовые сердечники с прямоугольным или круглым сече нием. Последние обычно называют тороидальными сердечниками. Как правило, используются ферриты никель-цинк-кобальтовой сис темы с недостатком или избытком окиси железа [6].
Овариометрах упоминается в работе [3, п. 4.5] при рассмотрении вопросов
перестройки контуров генераторов. Трансформатор в этом случае используется в качестве регулируемой индуктивности контура.
Схематично радиочастотный трансформатор обмоточного типа на кольцевом ферритовом сердечнике изображен на рис. 1.1, где Жо- число витков соответственно первичной и вторичной обмоток;
- сопротивление полезной нагрузки; Лвх - резистивная состав ляющая входного сопротивления трансформатора, определяемая в основном полезной нагрузкой; лт - коэффициент трансформации по напряжению, определяемый общим для обмоток магнитным по
током в сердечнике и равный отношению чисел витков в обмотках:
пт= тт.
1:иг
Рис. 1.1
Если со стороны вторичной обмотки 2-2 присоединить рези стивную нагрузку Я„, то выделяемая в нагрузке мощность
Рян =*/22/Дн=/22Лн, |
(1.1) |
где 172, /2 - действующее напряжение на нагрузке и действующий ток через нагрузку.
Отбираемая от источника сигнала мощность со стороны пер
вичной обмотки 1-1 |
(1.2) |
Рвх=[/2,/Явх, |
где 0\ - действующее входное напряжение трансформатора.
Если пренебречь потерями мощности в трансформаторе (в ка тушках и сердечнике), то согласно закону сохранения энергии (1.1) должно быть равно (1.2).
Из равенства (1.1), (1.2) |
следует |
|
ЛВХ= Д, |
(ВД/2)2 = Д./>Л, |
(1-3) |
где пи= и2Ш\ - коэффициент трансформации по напряжению в ра бочем режиме трансформатора.
В правильно сконструированном трансформаторе можно счи тать пи « пТ. Следовательно, коэффициент трансформации по на пряжению пи, как и коэффициент трансформации пт>оказывается дискретным и практически определяется отношением чисел витков обмоток.
Если ввести в рассмотрение коэффициент трансформации со противлений Пк = Ки/Лвх, то, как следует из (1.3),
« я = " ,;» ''т = » 2 /» |2 о
Устанавливая числа витков обмоток трансформатора, можно получить любое нужное (или близкое к нему) значение коэффици ента трансформации сопротивлений пк Для получения больших коэффициентов трансформации при небольшом числе витков ис пользуют специальные конструкции, в которых одна из обмоток содержит всего один виток [7]
Соотношение (*) является одним из основных для трансформа торов обмоточного типа и используется при их расчете и конструи ровании. В случае ГВВ: Кн - сопротивление полезной нагрузки ге нератора, Квх- требуемое сопротивление нагрузки в выходной цепи активного элемента ГВВ (лампы, транзистора).
Трансформатор обмоточного типа является нелинейным уст ройством (магнитная проницаемость материала сердечника зависит от магнитного потока в сердечнике, определяемом числами витков и токами в обмотках, которые, в свою очередь, зависят от магнит ной проницаемости, влияющей на индуктивные сопротивления об моток). При правильном выполнении конструкции трансформатора
и достаточном объеме сердечника с |
нелинейностью процессов |
в трансформаторе можно не считаться, |
а для расчета электриче |
ских цепей с трансформатором обмоточного типа использовать схе му замещения трансформатора, представленную на рис. 1.2, где гь г2- сопротивления потерь в проводах первичной и вторичной обмо ток соответственно; Ьз2 - индуктивности рассеяния обмоток, определяемые магнитными потоками, связанными только с витка ми одной обмотки; - индуктивность намагничивания транс форматора, определяемая общим магнитным потоком, связанным с витками обеих обмоток; Си, С22, С\2 —межвитковые и межобмо точная емкости трансформатора, к которым добавляются при под
*
Очевидно, если №2» Щ , то лт» 1; если |
, то пт« 1. |
ключении емкости схемы; ИТ - идеальный трансформатор, осущест вляющий трансформацию напряжения с коэффициентом пт= И'У^ и трансформацию тока с коэффициентом 1/пт.
Считается, что трансформаторы с ферромагнитными сердечни ками из материала с большой магнитной проницаемостью обладают свойствами, близкими к свойствам идеального трансформатора [8].
Схема рис. 1.2 может быть дополнена сопротивлением К1Ьпод ключаемым параллельно и учитывающим потери в сердечнике. Обычно это сопротивление велико и не учитывается.
ит 1: «т
Рис. 1.2
Обратим внимание, отвлекаясь от элементов г\, г2>Си, С22, С\2, что схема замещения трансформатора обмоточного типа с ферро магнитным сердечником (рис. 1.2), отличается от схемы замещения высокочастотного трансформатора из двух катушек без ферромаг нитного сердечника (см. рис. 4.36 в пособии [3, кн.1]), хотя в обоих случаях между обмотками (катушками) имеет место магнитная (ин дуктивная) связь. Дело в том, что трансформатор без ферромаг нитного сердечника является линейным устройством и в нем можно независимо рассматривать магнитные потоки, создаваемые токами в каждой катушке, тогда как трансформатор с ферромагнитным сердечником является нелинейным устройством и необходимо рас сматривать в сердечнике общий магнитный поток, создаваемый од новременно токами в обеих обмотках (катушках) с учетом этого сердечника.
Полоса пропускания трансформатора обмоточного типа снизу ограничивается индуктивностью намагничивания Ьм, а сверху —ин дуктивностями рассеяния обмоток 1,|, 1л2 и межвитковыми Си, С22 и межобмоточной Са емкостями.