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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Cascatas transformadoras com excitação em parafase. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Amplificadores de potência de tubo O artigo apresenta as versões originais dos circuitos das cascatas de lâmpadas transformadoras. Combinações de duas cascatas de ciclo único com excitação em parafase permitem a obtenção de modificações interessantes, semelhantes às cascatas push-pull. Suas vantagens e desvantagens são descritas, fórmulas de cálculo e resultados da pesquisa de parâmetros são fornecidos. As variantes dos estágios de saída dos amplificadores valvulados considerados neste artigo traçam sua genealogia para um estágio de saída comum de ciclo único [1,2]. O resultado resultante é um compromisso claro, mas cada uma das opções dos esquemas descritos tem algumas vantagens e julgue por si mesmo o quanto elas são valiosas. Estágios do transformador com alimentação paralela Inicialmente, utilizei o estágio de saída do amplificador conforme o circuito mostrado na fig. 1, forçadamente, apesar de suas deficiências [3]. De fato, sua principal vantagem é a ausência de magnetização permanente do transformador de saída. Isso permite melhorar os parâmetros da cascata aumentando a indutância dos enrolamentos e (ou) reduzindo os parâmetros parasitas do transformador. Em tal cascata com uma carga paralela, a reversão da magnetização do circuito magnético ocorre em um loop simétrico. Isso é "bom" porque nem mesmo os harmônicos aparecem nele e a faixa permitida de indução aumenta; "ruim" porque quando a indução passa por zero, a curva de magnetização é essencialmente não linear.
Se o transformador operar em malha de remagnetização simétrica, nada impede que a cascata seja convertida em push-pull, somando suas vantagens e desvantagens às já existentes. Naturalmente, pode-se fazer uma pergunta razoável: por que fazer isso? Vou tentar responder. Ao desenvolver UMZCHs de tubo, eles tentam alcançar a amplificação mais linear, sem distorção, em primeiro lugar, por métodos que permitem suprimir a não linearidade indesejada sem usar feedback geral. As cascatas push-pull permitem aumentar a linearidade de cascatas poderosas usando métodos paramétricos sem a introdução de feedback, usando a simetria da estrutura. Os métodos discutidos em [4] para suprimir harmônicos pares em cascatas de ciclo único, selecionando os tipos e modos de lâmpadas, são menos universais em comparação com a estrutura push-pull. Como resultado, os harmônicos ímpares são dominantes no espectro do sinal de saída, mas seu nível é uma ordem de grandeza menor do que os pares suprimidos, de modo que são muito mais fáceis de lidar por outros métodos. Uma cascata de ciclo único é fundamentalmente assimétrica. A consequência disso é que as taxas de subida e descida das frentes de sinais de natureza pulsada são fundamentalmente diferentes. Também leva a um aumento do nível de distorção de fase. Em cascatas push-pull, essa desvantagem é menos pronunciada. Um circuito em cascata push-pull do original (de acordo com a Fig. 1) pode ser obtido ligando a carga entre as saídas de duas cascatas de ciclo único com alimentação paralela e, consequentemente, a excitação dessas cascatas com um sinal de parafase ( Figura 2). Para lâmpadas com baixa tensão de polarização, o circuito mostrado na fig. 3, pois neste caso não é necessária uma fonte de polarização separada. Na verdade, este circuito é semelhante a uma cascata diferencial convencional. A operação normal dessas cascatas só é possível na classe A. Se as lâmpadas forem idênticas, o ganho de tal estágio para sinais bifásicos
onde (μ é o ganho da lâmpada; R, é sua resistência interna; RH é a resistência de carga e a resistência de saída
Um capacitor de isolamento Cp pode estar ausente em certas condições, mas sem manter tensões iguais nos ânodos das lâmpadas, ele deve ser usado. Além disso, a presença desse capacitor permite alterar de forma independente e em uma ampla faixa o modo de operação de cada lâmpada na cascata. Torna-se possível definir o modo de operação em cascata com o nível desejado de harmônicos uniformes, mesmo para lâmpadas com características significativamente diferentes.
Como resultado desta modificação, consegue-se duplicar a potência de saída, bem como compensar os harmónicos pares das lâmpadas e do transformador. Torna-se possível ajustar o espectro de distorção do sinal. É permitido reduzir as dimensões do transformador ou, com as mesmas dimensões, melhorar seus parâmetros. Na ausência de magnetização do transformador, seu projeto é simplificado. Neste caso, no entanto, será necessária uma tensão de alimentação mais alta, embora a eficiência, mesmo que teoricamente, não exceda 25%. A impedância de saída do estágio modificado é duas vezes maior e o nível de harmônicos ímpares é maior, pois a corrente do sinal flui através de duas lâmpadas. Obviamente, as desvantagens mais desagradáveis são os harmônicos ímpares, para suprimir os quais é aconselhável introduzir realimentação local no estágio de saída. É mais ideal usar feedback catódico aqui, como mostrado na Fig. 4. Vejamos o que acontece quando a realimentação é introduzida em um exemplo real. De acordo com a teoria da realimentação [3], a diminuição do nível dos componentes harmônicos Un da distorção é proporcional à profundidade da realimentação A:
onde Un os é o nível da n-ésima componente harmônica no amplificador com OOS. Na região das médias frequências, é bastante aceitável considerar não quantidades complexas, mas seus módulos, o que continuaremos a fazer. O FOS no circuito catódico da lâmpada é um feedback de tensão em série, neste caso o ganho KOS do amplificador coberto pelo feedback é igual a:
onde K é o ganho do amplificador sem realimentação; β é o ganho do loop de realimentação. O denominador da expressão (4) corresponde ao valor A que precisamos:
Para esta etapa, é desejável a utilização de uma lâmpada com ganho máximo e nível mínimo de terceiro harmônico. Tendo escolhido o tetrodo de feixe 6P1P, definimos o ganho desejado Kos = 3 (esse valor em um amplificador real geralmente é determinado pelas capacidades do estágio inversor de fase de front-end). Substituindo o valor de Kos na equação (4), calculamos a profundidade de realimentação A.
Agora, de acordo com a expressão (3), recalculamos os níveis dos componentes harmônicos, assumindo que os harmônicos pares estão totalmente compensados (ver Tabela 1).
Para os experimentos foi utilizado um estágio de saída montado de acordo com o esquema da Fig. 5. 3 (corresponde à estrutura do circuito da Fig. XNUMX).
Na fig. 6 mostra o espectro de seu sinal de saída. Os resultados experimentais da medição de distorções diferem dos valores calculados em 20...25% (na direção da deterioração). Isso também é explicado pela compensação incompleta de harmônicos uniformes - foram usadas lâmpadas sem seleção preliminar. A linearidade da nova versão do amplificador é significativamente maior; A cascata com feedback catódico é especialmente atraente [5, 6]; neste caso, todos os seus parâmetros são melhorados.
A principal limitação no uso prático de tal cascata é sua baixa eficiência; com lâmpadas comuns, você pode obter uma potência de saída de até 2 ... 3 watts. O uso de tal esquema de cascata é aconselhável, antes de tudo, se houver transformadores de saída prontos usados em cascatas de ciclo único de equipamentos de rádio antigos (a lacuna no transformador deve ser eliminada). Também é adequado para o estágio de saída de um amplificador de telefone de alta qualidade, especialmente se um transformador for feito especialmente para ele. Na fig. A Figura 7 mostra o espectro do sinal de saída desse amplificador; com uma potência máxima de 0,6 W, o coeficiente harmônico total de todo o caminho não excede 0,06%. A abordagem proposta pode ser aplicada a outras versões da cascata de alimentação paralela substituindo as fontes de corrente nos ânodos das lâmpadas por uma bobina com dois enrolamentos acoplados magneticamente. Como resultado da introdução do segundo conjunto de enrolamento, será obtida uma cascata simétrica com uma carga de aceleração (Fig. 8) e uma eficiência que já chega a 50%.
A transferência de fontes de corrente ou um estrangulamento para o circuito de cátodo das lâmpadas dá um seguidor de cátodo simétrico (Fig. 9). A última versão do circuito é de interesse prático para uso nos estágios de saída de pré-amplificadores com saída de transformador, bem como para amplificadores de telefone. Na cascata de acordo com o esquema mostrado na Fig. 4, pentodos e tetrodos de feixe podem ser usados com sucesso eliminando o resistor Rk e aplicando uma polarização fixa. Estágio de Saída de Carga Dividida Ao procurar uma modificação útil de uma estrutura simétrica, era desejável combinar as vantagens das cascatas de ciclo único e push-pull sem suas desvantagens, a saber: ter compensação paramétrica de harmônicos pares quando o núcleo magnético do transformador correspondente opera em um loop de remagnetização privado. Nesse sentido, oferecerei aos leitores uma nova versão do estágio final com carga dividida - com dois transformadores de saída (Fig. 10, 11). Na minha opinião, o uso de dois transformadores é um preço razoável para propriedades excepcionalmente boas e alta flexibilidade.
A estrutura de uma cascata push-pull é obtida combinando os enrolamentos secundários dos transformadores de saída de duas cascatas de ciclo único e a excitação dessas cascatas com um sinal de parafase. Como resultado, devido à operação em parafase da cascata, até mesmo as distorções harmônicas são suprimidas (claro, levando em consideração o coeficiente real de assimetria dos braços). Pode ser acionado a partir de qualquer tipo de estágio com inversão de fase, é permitido usar quaisquer lâmpadas e introduzir vários tipos de realimentação local em cada braço, tanto de forma independente quanto cruzada. A operação normal do amplificador só é possível na classe A. Como pode ser visto nesses dois esquemas, existem duas opções para implementar a cascata, que diferem significativamente nas propriedades. Se para corrente contínua em ambas as versões as lâmpadas são conectadas em paralelo, para corrente alternada, o acendimento das lâmpadas depende de como os enrolamentos secundários dos transformadores de saída estão conectados e como a carga está conectada a eles. O amplificador possui dois transformadores de saída e seus núcleos magnéticos operam em um loop de reversão privado. O leitor sofisticado dirá - isso é uma desvantagem. Sim, do ponto de vista da redução de custo, dimensões da estrutura e complexidade, isso é verdade, mas se a questão da qualidade estiver em primeiro plano, isso é uma vantagem. Primeiro, a transição da indução no transformador para zero e, consequentemente, as não linearidades características do transformador em níveis de sinal baixos são eliminadas. Em segundo lugar, as correntes quiescentes nos braços da cascata podem ser deliberadamente definidas de forma diferente para poder ajustar o nível de harmônicos uniformes no sinal de saída e usar lâmpadas com uma ampla variedade de características. A diferença da cascata push-pull usual é o local onde até mesmo os harmônicos são compensados. Em um amplificador push-pull clássico, a compensação ocorre no campo magnético do transformador de saída; e em tal cascata combinada - diretamente na resistência de carga. Para obter as relações básicas de projeto e entender melhor as propriedades das cascatas, as apresentamos na forma de circuitos equivalentes, assumindo que as lâmpadas e os transformadores são iguais. Para isso, vamos imaginar as lâmpadas como uma fonte equivalente de EMF E com resistência de saída Ri ou como uma fonte de corrente equivalente I, desviada com resistência Ri
onde μ é o ganho da lâmpada; S é a inclinação da lâmpada; Uc - tensão na grade de controle da lâmpada; Ri é a impedância de saída da lâmpada. A cascata mostrada na Fig. 10 corresponde ao circuito equivalente da fig. 12a, e a cascata na Fig. 11-13, A. Uma simplificação adicional leva aos circuitos mostrados nas Figs. 12,6, 13,6, 13, respectivamente.
No esquema mostrado na fig. 10, as lâmpadas são conectadas em corrente alternada em série - vamos chamar isso de série em cascata (com corrente comum pelos enrolamentos secundários). No diagrama da fig. 11 lâmpadas e corrente alternada são conectadas em paralelo à carga, vamos chamar essa cascata de paralela (com tensão comum nos enrolamentos secundários). A partir dos circuitos equivalentes obtidos, é bastante simples obter as principais relações calculadas [7], que estão resumidas na Tabela. 2.
A escolha do tipo de cascata depende muito das lâmpadas utilizadas. Para tubos de saída com uma impedância de saída relativamente grande e alto μ, é aconselhável usar um estágio paralelo. Para triodos de saída de alta potência, pode ser apropriado usar um estágio em série. Como neste caso μe é duas vezes maior, isso facilita o acionamento dos tubos de saída. Em estágios simétricos de carga compartilhada, os transformadores de saída padrão projetados para estágios de terminação única podem ser usados com sucesso. Feedback em uma cascata de carga compartilhada Uma ligeira modificação do estágio serial, mostrado na fig. 14 permite melhorar seus parâmetros gerais. A transferência de enrolamentos de saída e carga no circuito catódico das lâmpadas oferece uma série de vantagens. A indutância de magnetização total aumenta, uma vez que o enrolamento de saída é adicionalmente ligado em série com o enrolamento primário. O transformador de saída torna-se um autotransformador, o que geralmente reduz seu tamanho. Nesta cascata, você pode usar transformadores padrão sem enrolamento adicional.
Além disso, o feedback local aparece no circuito catódico da cascata com uma alteração correspondente nos parâmetros da cascata. Obviamente, usando transformadores padrão, não podemos ajustar arbitrariamente a profundidade desse feedback, mas é "gratuito". Aqui, é promissor o uso de transformadores com um grande número de derivações no enrolamento secundário, então os cátodos das lâmpadas são conectados aos terminais destinados à carga de maior resistência, e a carga real, dependendo de sua resistência, para as torneiras intermediárias de mesmo nome. Em uma cascata de acordo com esse esquema, o componente constante da tensão na carga é praticamente muito pequeno. Isso se deve à baixa resistência ativa dos enrolamentos de saída (não mais do que alguns ohms) e à diferença real na corrente de repouso das lâmpadas. Na prática, essa tensão não ultrapassa 5 ... 15 mV. Outro subproduto dessa comutação de carga é uma saída diferencial, embora a versão em série da cascata também forneça esse recurso. Como mencionado acima, qualquer tipo de lâmpada e vários tipos de realimentação local podem ser usados em cascatas com carga compartilhada. Como exemplo, na fig. 15 mostra a inclusão de pentodos com realimentação catódica, e na fig. 16 e 17 - variantes de inclusão ultralinear (tetrodos de feixe) de pentodos [8, 9]. Graças ao feedback local em uma cascata com lâmpadas blindadas, a linearidade de lâmpadas e transformadores pode ser significativamente melhorada.
Os pressupostos teóricos foram testados em três modelos montados de acordo com os esquemas apresentados na fig. 10, 11 e 14. A cascata básica de ciclo único em uma lâmpada 6P1P corresponde ao circuito mostrado na fig. 1; em todos os casos, foram utilizadas as mesmas lâmpadas e transformadores de saída. A impedância de carga e o modo da lâmpada foram escolhidos com base na obtenção do nível mínimo de harmônicos em uma determinada potência. Os resultados das medições numéricas são apresentados na Tabela. 3, e os espectros do sinal de saída - na fig. 18-21, respectivamente.
Como pode ser visto nos resultados, mesmo o uso de lâmpadas e transformadores selecionados aleatoriamente pode reduzir drasticamente o nível de harmônicos pares e aumentar a linearidade da cascata. O espectro do sinal de saída de um estágio de transformador de carga compartilhada é semelhante ao de um estágio push-pull convencional. Os melhores resultados, como esperado, são fornecidos por um estágio coberto por realimentação local, o que efetivamente reduz os harmônicos estranhos da distorção.
Literatura
Autor: E. Karpov, Odessa, Ucrânia
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