4.4.4 Сложение мощностей генераторов с разными

выходными параметрами

В предшествующем материале по умолчанию предполагалось, что генераторы имеют идентичные параметры, обеспечивающие баланс электрического моста. На практике это условие обычно выполняется с некоторой погрешностью, поэтому следует рассмотреть особенности работы устройства сложения мощностей при рассогласовании выходных параметров генераторов. Воспользуемся для этого простейшей схемой на рисунке 4.29.

Предположим что токи генераторов в балластной (R3) и полезной (R4) нагрузках отличаются по амплитуде и фазе.

В этом случае токи в балластной и полезной нагрузках равны

Полагая, что R3 = R4 = R, определим мощность в каждой нагрузке

Рб=0,5|Iб|²·R=0,5I1²R[(1- k cosφ )²+ k² sin²φ]= 0,5I1²R (1-2k cosφ+ k² )

Рн=0,5|Iн|²·R=0,5I1²R[(1+ k cosφ )²+ k² sin²φ]= 0,5I1²R (1+2k cosφ + k²)

Коэффициент полезного действия моста определим следующим образом

(4.18)

Если амплитуды токов равны (k=1), но не совпадают по фазе

(4.19)

Наоборот, при синфазных токах с различными амплитудами

(4.20)

На рисунке 4.47 представлены графики зависимостей (4.18) для некоторых частных случаев значений φ и k.

Из полученных зависимостей видно, что при отличи токов генераторов до 30° по фазе, или до 60% по амплитуде, к.п.д. моста не падает ниже 90%.

В рамках настоящего пособия естественно невозможно было осветить все проблемы теории и проектирования устройств сложения и деления мощностей. Детальную информацию по этим вопросам можно найти можно найти в [ 8 ].

Рисунок 4.46 – Коэффициент полезного действия

моста сложения мощностей

4.5 Колебательные системы выходных ступеней радиопередающих устройств

Выходная ступень передатчика работает непосредственно на антенну, либо на антенный фидер и её колебательная система выполняет следующие основные функции:

• Преобразование произвольного (в общем случае комплексного) сопротивления антенны (фидера) в чисто активное, оптимальное по величине сопротивление нагрузки генератора.

• Фильтрация высших гармоник (обеспечение электромагнитной совместимости).

Кроме того, выходная колебательная система должна обеспечить необходимую форму амплитудно-частотной характеристики и высокий к.п.д.

В зависимости от требований к уровню побочных излучений колебательная система (КС) может быть простой одноконтурной, многоконтурной, либо представлять собой систему коммутируемых фильтров.

4.5.1 Одноконтурная колебательная система

Несколько вариантов одноконтурной КС представлено на рисунке 4.47.

Рассмотрим процесс передачи энергии через КС и преобразование в ней сопротивления нагрузки. В общем случае сопротивление внешней нагрузки (антенны, фидера) имеет комплексный характер ZA = RA +j XA. Однако, при настройке контура в резонанс реактивность нагрузки XA. компенсируется соответствующей реактивностью контура, поэтому в дальнейшем будем полагать, что ZA = RA. Поскольку в контуре имеют место собственные потери, представленные на рисунке 4.47а. резистором RП, то мощность, поступающая в КС от генератора (Р1) распределится между этими сопротивлениями. Причем выходной (полезной) мощностью (РА) будет лишь мощность, выделяющаяся в RA.

Рисунок 4.47 – одноконтурная колебательная система

Таким образом, коэффициент полезного действия КС может быть определен следующим образом

(4.21)

Обозначим полное сопротивление потерь в контуре RПΣ = , тогда (4.21) примет вид

(4.22)

Предполагая, что реактивная часть нагрузки учтена в L или С контура, получим следующие выражения для характеристического сопротивления контура ( ρ), нагруженной добротности (QН), собственной добротности (Qхх ), эквивалентного сопротивления нагруженного контура (Rк) и сопротивления «холостого хода» (Rхх)

; ; (4.23)

Умножая числитель и знаменатель дроби в (4.22) на ρ, получим следующие выражения

(4.24)

Поскольку от нагруженной добротности зависит полоса пропускания контура ΔF = ( где ), то из (4.24) следует, что увеличивая к.п.д. КС за счет уменьшения нагруженной добротности, мы неизбежно понижаем степень фильтрации побочных излучений, т.к. при этом расширяется полоса контура ΔF.

Казалось бы, что при неизменной добротности QН к.п.д. контура можно увеличить увеличивая Qхх. Однако реальные контуры имеют добротность холостого хода не более 200 – 400, ценой использования дорогих высокодобротных катушек индуктивности. Поэтому такой путь повышения коэффициента полезного действия КС имеет определённые границы и проблема электромагнитной совместимости приходится решать, используя сложные многоконтурные КС.

Другая проблема одноконтурной КС связана с подбором величины Rк, которая для обеспечения оптимального режима генератора должна быть вполне определённой величины. Поскольку сопротивление нагрузки RA величина фиксированная, изменение Rк возможно только изменением ρ, т.е. изменением L или C, что неизбежно приведёт к расстройке контура. Регулировка КС становится очень сложной.

Проблемы одноконтурной КС частично удается решить в схемах представленных на рисунках 4.47б и 4.47в. Здесь появляются дополнительные степени свободы в регулировке Rк. Во-первых за счёт частичного включения контура в коллекторную цепь генератора емкостным делителем С1, С2, и во-вторых путем регулировки вносимого в контур сопротивления со стороны ZA c помощью элементов связи Сс, или Lc.

Контуры этого типа получили название П-контуры. К их достоинству следует отнести и повышенную степень фильтрации побочных излучений, которая объясняется наличием двух параллельных емкостных связей, существенно ослабляющих напряжение высших гармоник на выходе КС.

В тех случаях, когда одноконтурная система не обеспечивает фильтрации побочных излучений, применяются многоконтурные системы. На рисунке 4.48а приводится вариант трёхконтурной КС при индуктивной связи между первым и вторым контурами. Первый контур обычный и удобен при использовании последовательной схемы питания коллекторной цепи генератора. Остальные контуры П-типа и их назначение обеспечение требуемой фильтрации побочных излучений. Увеличение числа контуров обычно идет по пути наращивания числа П-образных звеньев и в передатчиках мощностью 1000 и более кВт число контуров может достигать 5…6.

Рисунок 4.48 – Многоконтурные колебательные системы

Рассмотрим процесс передачи мощности в многоконтурной КС с помощью условной схемы, представленной на рисунке 4.48б. Здесь Р1…РN мощность поступающая в соответствующий контур. Каждый контур имеет собственную нагруженную добротность Q1…QN , и к.п.д.

………

Определим к.п.д. колебательной системы в целом

Таким образом, общий к.п.д. КС равен произведению к.п.д. всех контуров.

Заметим, что одноконтурная КС передатчиков мощностью до 10 кВт имеет к.п.д. не более 70 – 80 %. У сверхмощных передатчиков, при том же допустимом уровне побочных излучений и четырёх – пяти контурах в КС, к.п.д. может достигать 95 – 98%, т.к. нужная избирательность достигается при нагруженной добротности контуров Qi ≈2 ÷ 4.