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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Cascades de transformateurs à excitation paraphase. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Amplificateurs de puissance à tubes L'article présente les versions originales des circuits des cascades de lampes à transformateur. Des combinaisons de deux cascades monocycle avec excitation paraphase permettent d'obtenir des modifications intéressantes similaires aux cascades push-pull. Leurs avantages et inconvénients sont décrits, les formules de calcul et les résultats de la recherche des paramètres sont donnés. Les variantes d'étages de sortie des amplificateurs à tubes considérées dans cet article font remonter leur généalogie à un étage de sortie ordinaire à cycle unique [1,2]. Le résultat qui en résulte est un compromis clair, mais chacune des options pour les schémas décrits présente certains avantages et jugez par vous-même de leur valeur. Étages de transformateur avec alimentation parallèle Au départ, j'ai utilisé l'étage de sortie de l'amplificateur selon le circuit illustré à la fig. 1, forcée, malgré ses défauts [3]. En fait, son principal avantage est l’absence de magnétisation permanente du transformateur de sortie. Cela permet d'améliorer les paramètres de la cascade en augmentant l'inductance des enroulements et (ou) en réduisant les paramètres parasites du transformateur. Dans une telle cascade avec une charge parallèle, l'inversion de magnétisation du circuit magnétique se produit dans une boucle symétrique. C'est « bien » car même les harmoniques n'y apparaissent pas et la plage d'induction admissible augmente ; "mauvais" car lorsque l'induction passe par zéro, la courbe d'aimantation est essentiellement non linéaire.
Si le transformateur fonctionne sur une boucle de remagnétisation symétrique, rien n'empêche de transformer la cascade en une cascade push-pull, ajoutant ainsi ses avantages et ses inconvénients à ceux déjà disponibles. Naturellement, on peut se poser une question raisonnable : pourquoi faire cela ? Je vais essayer de répondre. Lors du développement des UMZCH à tubes, ils essaient d'obtenir l'amplification la plus linéaire, sans distorsion, tout d'abord par des méthodes qui permettent de supprimer la non-linéarité indésirable sans utiliser de rétroaction générale. Les cascades push-pull permettent d'augmenter la linéarité de cascades puissantes par des méthodes paramétriques sans introduction de feedback, en utilisant la symétrie de la structure. Les méthodes discutées dans [4] pour supprimer les harmoniques paires dans les cascades à cycle unique en sélectionnant les types et les modes de lampes sont moins universelles en comparaison avec la structure push-pull. En conséquence, les harmoniques impaires sont dominantes dans le spectre du signal de sortie, mais leur niveau est d'un ordre de grandeur inférieur à celui des harmoniques paires supprimées, elles sont donc beaucoup plus faciles à traiter par d'autres méthodes. Une cascade à cycle unique est fondamentalement asymétrique. La conséquence en est que les vitesses de montée et de descente des fronts de signaux de nature pulsée sont fondamentalement différentes. Cela conduit également à un niveau accru de distorsion de phase. Dans les cascades push-pull, cet inconvénient est moins prononcé. Un circuit en cascade push-pull à partir de celui d'origine (selon la Fig. 1) peut être obtenu en allumant la charge entre les sorties de deux cascades monocycle avec alimentation parallèle et, par conséquent, en excitant ces cascades avec un signal paraphase ( Figure 2). Pour les lampes à faible tension de polarisation, le circuit illustré à la fig. 3, puisque dans ce cas une source de polarisation séparée n'est pas nécessaire. En fait, ce circuit s'apparente à une cascade différentielle classique. Le fonctionnement normal de ces cascades n'est possible qu'en classe A. Si les lampes sont identiques, alors le gain d'un tel étage pour les signaux biphasés
où (μ est le gain de la lampe ; R, est sa résistance interne ; RH est la résistance de charge et la résistance de sortie
Un condensateur d'isolement Cp peut être absent dans certaines conditions, mais sans maintenir des tensions égales aux anodes des lampes, il faut l'utiliser. De plus, la présence de ce condensateur permet de modifier indépendamment et dans une large plage le mode de fonctionnement de chaque lampe de la cascade. Il devient possible de régler le mode de fonctionnement en cascade avec le niveau souhaité d'harmoniques paires, même pour des lampes aux caractéristiques sensiblement différentes.
Grâce à cette modification, on obtient un doublement de la puissance de sortie, ainsi qu'une compensation des harmoniques paires des lampes et du transformateur. Il devient possible d'ajuster le spectre de distorsion du signal. Il est permis de réduire les dimensions du transformateur ou, avec les mêmes dimensions, d'améliorer ses paramètres. En l'absence de magnétisation du transformateur, sa conception est simplifiée. Dans ce cas, cependant, une tension d'alimentation plus élevée sera nécessaire, même si le rendement, même théorique, ne dépassera pas 25 %. L'impédance de sortie de l'étage modifié est deux fois plus grande et le niveau d'harmoniques impaires est plus élevé, puisque le courant du signal traverse deux lampes. Bien entendu, le plus désagréable des inconvénients réside dans les harmoniques impaires, pour lesquelles il est conseillé d'introduire une rétroaction locale dans l'étage de sortie. Il est plus optimal d'utiliser ici la rétroaction cathodique, comme le montre la Fig. 4. Voyons ce qui se passe lorsque le feedback est introduit sur un exemple réel. Conformément à la théorie du feedback [3], la diminution du niveau des composantes harmoniques Un de la distorsion est proportionnelle à la profondeur du feedback A :
où Un os est le niveau de la composante n-ième harmonique dans l'amplificateur avec OOS. Dans le domaine des moyennes fréquences, il est tout à fait acceptable de considérer non pas des grandeurs complexes, mais leurs modules, ce que nous continuerons à faire. Le FOS dans le circuit cathodique de la lampe est une rétroaction de tension série, dans ce cas le gain KOS de l'amplificateur couvert par la rétroaction est égal à :
où K est le gain de l'amplificateur sans rétroaction ; β est le gain de la boucle de rétroaction. Le dénominateur de l'expression (4) correspond à la valeur A dont nous avons besoin :
Pour cette étape, il est souhaitable d'utiliser une lampe avec un gain maximum et un niveau minimum de troisième harmonique. Après avoir choisi la tétrode à faisceau 6P1P, nous fixons le gain souhaité Kos = 3 (cette valeur dans un amplificateur réel est généralement déterminée par les capacités de l'étage inverseur de phase frontal). En remplaçant la valeur de Kos dans l'équation (4), nous calculons la profondeur de rétroaction A.
Maintenant, conformément à l'expression (3), nous recalculons les niveaux des composantes harmoniques, en supposant que les harmoniques paires sont entièrement compensées (voir Tableau 1).
Pour les expériences, un étage de sortie assemblé selon le schéma de la figure 5 a été utilisé. 3 (correspond à la structure du circuit de la figure XNUMX).
Sur la fig. La figure 6 montre le spectre de son signal de sortie. Les résultats expérimentaux de mesure des distorsions diffèrent des valeurs calculées de 20...25 % (dans le sens de la détérioration). Cela s'explique également par la compensation incomplète des harmoniques paires - des lampes sans sélection préalable ont été utilisées. La linéarité de la nouvelle version de l'amplificateur est nettement plus élevée ; La cascade avec rétroaction cathodique est particulièrement attractive [5, 6] ; dans ce cas, tous ses paramètres sont améliorés.
La principale limitation de l'utilisation pratique d'une telle cascade est son faible rendement ; avec des lampes courantes, vous pouvez obtenir une puissance de sortie allant jusqu'à 2 ... 3 watts. L'utilisation d'un tel schéma en cascade est conseillée, tout d'abord, s'il existe des transformateurs de sortie prêts à l'emploi utilisés dans des cascades à cycle unique d'anciens équipements radio (l'espace dans le transformateur doit être éliminé). Il convient également bien à l'étage de sortie d'un amplificateur téléphonique de haute qualité, surtout si un transformateur est spécialement conçu à cet effet. Sur la fig. La figure 7 montre le spectre du signal de sortie d'un tel amplificateur : à une puissance maximale de 0,6 W, le coefficient harmonique total de l'ensemble du trajet ne dépasse pas 0,06 %. L'approche proposée peut être appliquée à d'autres versions de la cascade alimentée en parallèle en remplaçant les sources de courant dans les anodes des lampes par une self à deux enroulements couplés magnétiquement. Grâce à l'introduction du deuxième ensemble d'enroulements, une cascade symétrique avec une charge d'accélérateur (Fig. 8) et un rendement atteignant déjà 50 % sera obtenue.
Le transfert de sources de courant ou d'une self vers le circuit cathodique des lampes donne un suiveur de cathode symétrique (Fig. 9). Cette dernière version du circuit présente un intérêt pratique pour une utilisation dans les étages de sortie des préamplificateurs avec sortie de transformateur, ainsi que pour les amplificateurs téléphoniques. Dans la cascade selon le schéma illustré à la Fig. 4, les pentodes et les tétrodes à faisceau peuvent être utilisées avec succès en éliminant la résistance Rk et en appliquant une polarisation fixe. Étage de sortie de charge divisée Lors de la recherche d'une modification utile d'une structure symétrique, il était souhaitable de combiner les avantages des cascades monocycle et push-pull sans leurs inconvénients, à savoir : avoir une compensation paramétrique des harmoniques paires lorsque le noyau magnétique du transformateur d'adaptation fonctionne sur une boucle de remagnétisation privée. À cet égard, je proposerai aux lecteurs une nouvelle version de l'étage final à charge divisée - avec deux transformateurs de sortie (Fig. 10, 11). À mon avis, l'utilisation de deux transformateurs représente un prix raisonnable pour des propriétés exceptionnellement bonnes et une grande flexibilité.
La structure d'une cascade push-pull est obtenue en combinant les enroulements secondaires des transformateurs de sortie de deux cascades monocycles et l'excitation de ces cascades avec un signal paraphase. De ce fait, grâce au fonctionnement para-phase de la cascade, même les distorsions harmoniques sont supprimées (bien entendu, en tenant compte du coefficient d'asymétrie réel des bras). Il peut être piloté à partir de n'importe quel type d'étage à phase inversée, il est permis d'utiliser n'importe quelle lampe et d'introduire différents types de rétroaction locale dans chaque bras, à la fois indépendamment et transversalement. Le fonctionnement normal de l'amplificateur n'est possible qu'en classe A. Comme le montrent ces deux schémas, il existe deux options pour mettre en œuvre la cascade, qui diffèrent considérablement par leurs propriétés. Si pour le courant continu dans les deux versions les lampes sont connectées en parallèle, alors pour le courant alternatif l'allumage des lampes dépend de la manière dont les enroulements secondaires des transformateurs de sortie sont connectés et de la manière dont la charge y est connectée. L'amplificateur dispose de deux transformateurs de sortie et leurs noyaux magnétiques fonctionnent dans une boucle d'inversion privée. Le lecteur averti dira : c’est un inconvénient. Oui, du point de vue de la réduction du coût, des dimensions de la structure et de la complexité, c'est vrai, mais si la question de la qualité est au premier plan, c'est un avantage. Premièrement, le passage de l'induction dans le transformateur par zéro et, par conséquent, les non-linéarités caractéristiques du transformateur à de faibles niveaux de signal sont éliminés. Deuxièmement, les courants de repos dans les bras de la cascade peuvent être délibérément réglés différemment afin de pouvoir ajuster le niveau des harmoniques paires dans le signal de sortie et utiliser des lampes avec une large gamme de caractéristiques. La différence avec la cascade push-pull habituelle réside dans l'endroit où même les harmoniques sont compensées. Dans un amplificateur push-pull classique, la compensation se produit dans le champ magnétique du transformateur de sortie ; et dans une telle cascade combinée - directement sur la résistance de charge. Pour obtenir les relations de conception de base et mieux comprendre les propriétés des cascades, nous les présentons sous forme de circuits équivalents, en supposant que les lampes et les transformateurs sont identiques. Pour ce faire, imaginez les lampes comme une source équivalente de CEM E avec une résistance de sortie Ri ou comme une source de courant équivalente I shuntée avec une résistance Ri
où μ est le gain de la lampe ; S est la pente de la lampe ; Uc - tension sur la grille de commande de la lampe ; Ri est l'impédance de sortie de la lampe. La cascade représentée sur la Fig. 10 correspond au circuit équivalent de la fig. 12a, et la cascade de la Fig. 11-13, a. Une simplification supplémentaire conduit aux circuits représentés sur les Fig. 12,6, 13,6, 13, respectivement.
Dans le schéma montré à la fig. 10, les lampes sont connectées en courant alternatif en série - appelons cette série en cascade (avec un courant commun à travers les enroulements secondaires). Dans le schéma de la fig. 11 lampes et courant alternatif sont connectées en parallèle à la charge, appelons cette cascade parallèle (avec une tension commune sur les enroulements secondaires). A partir des circuits équivalents obtenus, il est assez simple d'obtenir les principales relations calculées [7], qui sont résumées dans le tableau. 2.
Le choix du type de cascade dépend en grande partie des lampes utilisées. Pour les tubes de sortie avec une impédance de sortie relativement importante et un µ élevé, il est conseillé d'utiliser un étage parallèle. Pour les triodes de sortie à haute puissance, il peut être approprié d'utiliser un étage en série. Puisque dans ce cas µe est deux fois plus grand, cela facilite le pilotage des tubes de sortie. Dans les étages symétriques à charge partagée, des transformateurs de sortie standard conçus pour les étages asymétriques peuvent être utilisés avec succès. Rétroaction dans une cascade de charge partagée Une légère modification de l'étage série, illustrée à la fig. 14 permet d'améliorer ses paramètres généraux. Le transfert des enroulements de sortie et de la charge dans le circuit cathodique des lampes offre un certain nombre d'avantages. L'inductance de magnétisation totale augmente puisque l'enroulement de sortie est en outre activé en série avec l'enroulement primaire. Le transformateur de sortie devient un autotransformateur, ce qui réduit généralement sa taille. Dans cette cascade, vous pouvez utiliser des transformateurs standards sans enroulement supplémentaire.
De plus, un retour local apparaît dans le circuit cathodique de la cascade avec une modification correspondante des paramètres de la cascade. Bien sûr, en utilisant des transformateurs standards, on ne peut pas ajuster arbitrairement la profondeur de ce feedback, mais c'est "gratuit". Ici, il est prometteur d'utiliser des transformateurs avec un grand nombre de prises sur l'enroulement secondaire, puis les cathodes des lampes sont connectées aux bornes destinées à la charge à plus haute résistance, et la charge réelle, en fonction de sa résistance, à les robinets intermédiaires du même nom. Dans une cascade selon ce schéma, la composante constante de la tension aux bornes de la charge est pratiquement très faible. Cela est dû à la faible résistance active des enroulements de sortie (pas plus de quelques ohms) et à la différence réelle du courant de repos des lampes. En pratique, cette tension ne dépasse pas 5... 15 mV. Un autre sous-produit de cette commutation de charge est une sortie différentielle, bien que la version série de la cascade offre également cette fonctionnalité. Comme mentionné ci-dessus, tout type de lampe et différents types de retour local peuvent être utilisés dans des cascades à charge partagée. A titre d'exemple, sur la fig. 15 montre l'inclusion de pentodes avec rétroaction cathodique, et sur la fig. 16 et 17 - variantes d'inclusion ultralinéaire (tétrodes à faisceau) de pentodes [8, 9]. Grâce au feedback local dans une cascade de lampes blindées, la linéarité des lampes et des transformateurs peut être considérablement améliorée.
Les hypothèses théoriques ont été testées sur trois modèles assemblés selon les schémas présentés à la fig. 10, 11 et 14. La cascade de base à cycle unique sur une lampe 6P1P correspond au circuit illustré à la fig. 1; dans tous les cas, les mêmes lampes et transformateurs de sortie ont été utilisés. L'impédance de charge et le mode de la lampe ont été choisis en fonction de l'obtention du niveau minimum d'harmoniques à une puissance donnée. Les résultats des mesures numériques sont donnés dans le tableau. 3, et les spectres du signal de sortie - sur la fig. 18-21 respectivement.
Comme le montrent les résultats, même l'utilisation de lampes et de transformateurs sélectionnés au hasard peut réduire considérablement le niveau des harmoniques paires et augmenter la linéarité de la cascade. Le spectre du signal de sortie d'un étage de transformateur à charge partagée est similaire à celui d'un étage push-pull classique. Les meilleurs résultats, comme prévu, sont fournis par un étage couvert par un feedback local, qui réduit efficacement les harmoniques étranges de distorsion.
littérature
Auteur : E. Karpov, Odessa, Ukraine
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