книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

2.3.СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ

СПОМОЩЬЮ МОСТОВЫХ СХЕМ

Построение генераторов с использованием параллельного и двух­ тактного включения АЭ позволяет увеличить мощность генератора за счет сложения мощностей АЭ. Однако при параллельном и двух­ тактном включениях АЭ имеет место их сильное взаимное влияние, что проявляется через ощущаемые АЭ сопротивления (2.3), (2.14). При этом выход из строя одного АЭ, например за счет короткого замыкания или обрыва в цепях, может привести не только к сниже­ нию мощности генератора на величину мощности отключившегося АЭ, но и к выходу из строя части или всех остальных АЭ. Как уже отмечалось, за счет сильного взаимного влияния больше двух-трех АЭ параллельно не включают, в том числе и в каждом плече двух­ тактного ГВВ. В то же время в некоторых случаях требуются гене­ раторы таких больших мощностей, которые не могут быть полу­ чены от одного или нескольких АЭ существующих типов, вклю­ чаемых параллельно и по двухтактной схеме. Для таких генерато­ ров разрабатывают новые специальные АЭ повышенной мощности. Однако этот путь не всегда является лучшим, так как разработка и организация производства новых ламп и транзисторов обходятся дорого, отнимают много времени, а потребность в таких АЭ, в пер­ вую очередь это относится к мощным лампам, сравнительно неве­ лика. Мощные генераторные приборы, как правило, имеют и невы­ сокую надежность. Кроме того, существуют физические и техноло­ гические ограничения по созданию более мощных приборов, обу­ словленные как электрической прочностью используемых мате­ риалов, так и их химической чистотой. В настоящее время разрабо­ таны генераторные лампы на мощности [5] 0,5...3,0 МВт, а генера­ торные транзисторы - 250... 1000 Вт на частотах до 150... 1000 МГц. Дальнейшее увеличение мощностей в несколько раз, а тем более на порядок представляет собой трудную, практически невыполнимую сегодня задачу.

2.3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОСТОВЫХ СХЕМ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ

В радиопередающих устройствах различных диапазонов волр широко применяется метод сложения мощностей генераторов с по­ мощью мостовых схем. В этом случае при суммировании мощно­ стей двух и более генераторов обеспечивается их взаимная электри­ ческая развязка: каждый из генераторов работает независимо от других на оптимальную для него нагрузку, в то время как у оставь-

ных генераторов режим может меняться вплоть до короткого замы­ кания или холостого хода.

Простейшая мостовая схема для сложения мощностей двух ге­ нераторов гармонических сигналов Г| и Г2 показана на рис. 2.25.

Мост образован двумя реактивными сопротивлениями одина­ кового характера (емкостного или индуктивного) Х \,Х 2 и двумя ре­ зистивными сопротивлениями: Кп - сопротивление полезной на­ грузки, Лб - балластное сопротивление. Без сопротивления К5 нель­ зя сбалансировать мост и этим развязать генераторы. Поэтому со­ противление Кв в схеме моста называют также развязывающим сопротивлением [6].

ток (напряжение) одного генератора не попадает в ветвь включения другого генератора, в силу чего режим работы одного генератора никак не сказывается на режиме работы другого генератора.

Пути протекания составляющих комплексных токов генерато­ ров при условии баланса моста (2.47) показаны стрелками на рис. 2.25. При этом комплексный ток генератора Г 1\ = I] + I", а комплексный ток генератора Г2: к = И +К'.

Схема рис. 2.25 является одним из вариантов классической мостовой схемы: конфигурация ее напоминает квадрат (или ромб), по сторонам которого включены сопро­ тивления, а в диагонали включены гене­

раторы.

При принятых на рис. 2.25 обозначе­ ниях и направлениях токов комплексная амплитуда результирующего тока через нагрузку 1ца= 1\ + 12>соответственно вы­

деляемая в нагрузке мощность

Согласно (2.486) входное сопротивление моста для генератора Г2при Х \-Х г= Х и К6 =К„:

и может рассматриваться как последовательное соединение рези­ стивного сопротивления гвх г2 = Лн/2 и реактивного сопротивления

/*вхг2 ~]Х!2.

При подключении параллельно Г| реактивного сопротивле­ ния -]-2Х и включении последовательно с Г2 реактивного сопро­ тивления -/А72 обеспечивается резистивный характер результи­ рующих входных сопротивлений: 2Д„ для Г) и Лн /2 для Г2.

Последовательное соединение сопротивлений гвхг2 = Кн/2 и /хВхг2 = /^/2 (2.496) может быть преобразовано в параллельное со­ единение сопротивлений КвхГо и уХвхГ2 согласно условию [3]:

Если потребовать, чтобы Квхг2 = -^вхГ] ~ 2ЛН, то необходимо иметь \х\ = 7зЛи. При этом реактивные составляющие входных со­

противлений моста для генераторов Г], Г2 в параллельных схемах представления:

^ „ Г|=;-2ЛГ = ±у.2 л/з Л,,;

я 1 + х 2 , . 2 п ^Xштг - ^ 2Х

оказываются разными.

При подключении параллельно генератору Г2 реактивного со­ противления -]Х вхг2 ДЛЯ генератора обеспечивается резистивное входное сопротивление, равное /?вхг2-

ность выделяется на сопротивлениях К6, К„и при /?б = Ки,Х\ =Хг=Х будет:

Рг, = - |/ 1'|2(Дб+ Л,,) = |/ 1' |Ч ,

При работе только генератора Г2 потребляемая от него мощность также выделяется на сопротивлениях К6, К„ и при Р$ = К,„ Х\ = =Хг=Х будет:

Рг2= “ IЧ I2 К + у I /з" I2 ^6 = | /2" I2 Рп,

где | Ч |, | Ч' | - амплитуды соответствующих токов. Так как Ч = Ч \ то при Ч = Л": Рг> = Л-,= ?г-

Как видим, при выполнении баланса моста и равенстве токов от обоих генераторов через ветви с резистивными сопротивлениями

Кб, К„:

Рк„ =Кг{+Рг2 = 2РГ,

т. е. имеет место сложение мощностей генераторов на сопротивле­ нии нагрузки К„. Равенство токов через К„, Кб от генераторов Гь Г2 соответствует равенству мощностей, потребляемых от этих генера­ торов: РГ[ =Ргг

Итак, при X] = Хо - X, Кб = К„ в рассматриваемой схеме моста (рис. 2.25) ток 1-1 генератора Г2 поровну распределяется между вет­ вями с сопротивлениями (К,, +]Х) и (К6 +]Х): Ч =/2".

Активная составляющая Ч тока /) генератора Г|, протекающая через ветвь из сопротивлений К„, Кб, в общем случае связана с то­ ком Ч (или Ч') соотношением

Ч = АЧ = А Ч е* =АЧ (соз <р+] зш <р),

где А = Аеп - коэффициент, учитывающий различие токов генера­ торов по амплитуде и фазе, протекающих через ветви с сопротивле­ ниями К„, Кб.

Результирующий ток через сопротивление нагрузки Ки:

/«„ = /.'( 1+А).

Амплитуда тока через нагрузку

| / Ли |=| | ^(1+Лсозф) 2 +(Лзш ф) 2 =| |л]\+2Асо&(р+А2

Результирующий ток через балластное сопротивление К5:

/«„ = /,'( 1-А ).

Амплитуда тока через

|/^ |=|/{| ^(1-Лсозф) 2 +(Лзшф) 2 =|/{|ф-2Асо5<р+А2

Мощность, выделяющаяся на сопротивлении нагрузки К„,

Рни= ]- I /«„ |2 = ^ | | 2 (1+2Л созф + А

Мощность, выделяющаяся на балластном сопротивлении Кв,

Яб | Лб= | |/ ,'|2Л б(1-2^созф +^2).

г * ш ъ ' й

Отношение мощности Рцп, выделяющейся в полезной нагрузке, ко всей мощности (РКп+ Рк6), выделяющейся на обоих сопротивле­ ниях К„, Р5, называется коэффициентом полезного действия (КПД) моста. Обозначая КПД моста г|м, на основании последних соотно­ шений при Рв = Яиполучаем:

Из (2.50) следует, что при равенстве токов 1\, !■{ по амплитуде (А = 1) и синфазности их (ф = 0) КПД моста т|„ = 1 (100 %). Если токи синфазны (ф = 0), но разнятся по амплитуде в два раза (А = 2 или А = 1/2), то т]м= 0,9 (90 %). Если токи одинаковы по амплитуде (А = 1), но отличаются по фазе на ± 40°, то КПД моста также оказы­ вается порядка 0,9 (90 %), т. е. только десять процентов суммарной мощности генераторов теряется в балластном сопротивлении.

При выключении (выходе из строя) одного из генераторов (А = 0 или А = °о) КПД моста г|м= 0,5 (50 %), т. е. половина мощности ра­ ботающего генератора теряется на балластном сопротивлении, что крайне невыгодно.

На рис. 2.26 показаны зависимости т^, (А) и 11ы (<р ), из которых видно, что КПД моста остается довольно высоким даже в том слу­ чае, когда токи неточно равны по амплитуде и неточно синфазны. Если амплитуды токов различаются не более чем на 20 %, а фазо­ вый сдвиг по величине не превышает 40°, КПД моста снижается до 0,87 (87 %), т. е. только 13 % суммарной мощности выделяется на 7?б. Если фазовый сдвиг между токами превышает по величине 90°, то КПД моста оказывается менее 50 %. В этом случае большая часть суммарной мощности генераторов выделяется на балластном сопротивлении. При А= 1 и ср = 180° г|м= 0 и вся мощность от обо­ их генераторов выделяется на балластном сопротивлении, т. е. /?„ и Кб меняются «ролями» [5,6].

Рис. 2.26

Как уже отмечалось, при выключении одного из генераторов половина мощности другого выделяется на балластном сопротивле­ нии, соответственно мощность в полезной нагрузке уменьшается в 4 раза по сравнению с режимом работы двух генераторов при ус­ ловии А = 1, ф = 0. Поэтому при выключении одного из генераторов целесообразно работающий генератор переключить с моста сложе­ ния непосредственно на полезную нагрузку, чтобы избежать потери мощности в балластном сопротивлении. Обычно это делают авто­ матически с помощью системы обхода моста, т. е. подключая рабо­ тающий генератор к полезной нагрузке, минуя мост. При подключе­ нии работающего генератора к полезной нагрузке, минуя мост, вы­ деляемая на полезной нагрузке мощность будет только в два раза меньше по сравнению с режимом работы двух генераторов при усло­ вии А = 1, ф = 0. Уменьшение мощности в полезной нагрузке в 2 раза по сравнению с номинальным режимом, имеющим место при рабо­ те двух генераторов, в большинстве случаев позволяет решать, пусть и не в полном объеме, задачи, возлагаемые на радиотехничес-

Возможна реализация моста для сложения неравных мощно­ стей при определенном их соотношении без потерь в балластном сопротивлении Л6, т. е. с КПД моста г|м= 1 (100 %). Для этого необ­ ходимо, чтобы токи генераторов в ветви с балластным резисто­ ром /?б были одинаковы.

В схеме рис. 2.25 ток генератора Г| через Лб: 1\ = СУ(Л„ + /?6), а ток генератора Гг через Лб: 12" = [^/(Лб + ]Х2), где I / 1 / 2 - ком­ плексные амплитуды выходных напряжений генераторов, связан­ ные в общем случае соотношением

Из равенства 1\ = 12 получаем:

Я5(\-К )+ ]Х 2 = КК„.

С учетом (*) последнее выражение может быть представлено в виде двух соотношений:

Так как должно быть Я& > 0, то (2.52а) имеет смысл при выпол­ нении условия

0 < К соз ср < 1.

При этом, поскольку К> 0, значение угла ср может находиться в пределах:

-90° < ср < 90°.

Из (2.51б) с учетом (2.52а):

К 51П (р

(2.52в)

1-^созср

Полагая сопротивление полезной нагрузки Л„ известным, нахо­ дим из условия баланса моста (2.47) с учетом (2.52а), (2.52в):