книги / Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов

Комплексный характер входного сопротивления и неравенство его резистивной составляющей сопротивлению нагрузки Кн явля­ ются недостатками рассматриваемого моста.

Рассматриваемый мост может быть выполнен на индуктивно­ стях - катушках. Однако реализация моста на емкостях - конденса­ торах предпочтительнее, во-первых, из-за простоты в обеспечении симметрии устройства и, во-вторых, из-за уменьшения потерь мощ­ ности в реактивных элементах моста: сопротивления потерь в кон­ денсаторах существенно меньше, чем в катушках индуктивности. Наличие потерь в реактивных элементах моста, выполненного по любой схеме, отражается как на балансе моста, так и на потерях складываемых мощностей. По этой причине при реализации Т- мостов предпочтение отдается схеме с Х и Хг емкостного характера. Сопротивление потерь в катушке индуктивности, образующей реак­ тивное сопротивление Хб, может быть отнесено в состав балластно­ го резистора Кб.

Выше отмечалось, что с помощью трансформаторов можно осуществить переход от несимметричного элемента схемы моста к симметричному и наоборот.

Подключение генераторов, резистивных и реактивных сопротив­ лений ветвей моста с помощью трансформаторов позволяет во многих случаях сделать схемы мостов более пригодными и удобными для практического применения. Обычно применяются трансформаторы с коэффициентом трансформации напряжения 1:1 без инвертирова­ ния фазы или с инвертированием, т. е. поворотом, фазы на 180° *

Трансформатор может включаться вместо реактивных сопро­ тивлений в ветвях моста, образуя так называемое трансформаторное мостовое устройство (МУ).

На рис. 2.38 показаны варианты трансформаторных МУ, реали­ зуемых на основе Т-образного моста с использованием трансформа­ торов обмоточного типа. Устройства предназначены для сложения одинаковых мощностей синфазно включаемых генераторов.

Следует сразу отметить, что трансформаторное МУ по схеме рис. 2.38,а в чистом виде проявляет свойства мостовых схем в от­ ношении развязки генераторов, т. е. обеспечения их независимой друг от друга работы, только при 100 % магнитной связи между об­ мотками . В свою очередь близкая к 100 % магнитная связь между

0

При повороте фазы на 180° коэффициент трансформации обычно обознача­

ют 1 :-1.

**

Подробно этот вопрос обсуждается в приложении 4.

на основании последних соотношений получаем для резистивной составляющей входного сопротивления устройства, отнесенной к точкам подключения генератора, Лвх = Ли/2.

Чтобы при выходе из строя одного из генераторов резистивная составляющая входного сопротивления для другого генератора ос­ тавалась равной Лн/2, необходимо иметь Кб = Кн.

Реактивные составляющие входных сопротивлений МУ со сто­ роны каждого из генераторов обусловливаются индуктивностью намагничивания и индуктивностями рассеяния обмоток трансфор­ матора. Чем сильнее магнитная связь между обмотками, тем мень­ ше магнитные потоки рассеяния, больше индуктивность намагничи­ вания трансформатора и больше реактивные составляющие входных сопротивлений, пересчитанные параллельно генераторам. В при­ ложении 4 рассмотрен вопрос о входных сопротивлениях и взаимном влиянии генераторов при реализации устройства по схеме рис. 2.38,а на основе высокочастотного трансформатора без ферритового сер­ дечника. Исключение ферритового сердечника позволяет использо­ вать линейную электрическую модель для рассматриваемого транс­ форматорного МУ, что облегчает интерпретацию результатов.

В общем случае на реактивные составляющие входных сопротив­ лений устройства со стороны каждого генератора оказывают влия­ ние межвитковые и монтажные емкости обмоток трансформатора.

Обратим внимание, что трансформаторное МУ по схеме рис. 2.38,а родственно повышающему ТЛ с коэффициентом транс­ формации напряжения, равным двум (см. рис. 1.41, п. 1.2.3), при исключении из схемы отрезка линии, образованного проводами 3, 4 (см. рис. 1.73, п. 1.2.6). Эквивалентная схема такого ТЛ с использо­ ванием символики двухобмоточного трансформатора соответствует повышающему автотрансформатору (см. рис. 1.44,6; п. 1.2.3) и в несколько ином виде представлена на рис. 2.39.

Отличие схемы рис. 2.39 от схемы рис. 2.38,а только в том, что в ней происходит «сложение» напряжений на нагрузке К„ от одного источника - генератора и между эквипотенциальными точками нет резистора К$. Эти точки соединены непосредственно. В остальном схемы полностью идентичны.

* В частности, при коротком замыкании Г2 оказывается короткозамкнутой подключаемая параллельно ему обмотка трансформатора. Вследствие этого ре­ зультирующая индуктивность намагничивания трансформатора принимает практи­ чески пулевое значение и генератор Г| как бы напрямую присоединяется к К„. Параллельно Г| при коротком замыкании Г2 оказывается подключенным резис­ тор 7?б. Чтобы эквивалентное сопротивление нагрузки для генератора Г, оказалось равным Лн/2, необходимо иметь Дб = Я„.

Так как у ТЛ оба провода наматы­ ваются на ферритовый сердечник в одном направлении, располагаясь па­ раллельно друг другу, то генератор - источник сигнала оказывается под­ ключенным к разным концам обмоток относительно точек согласного вклю­ чения. Такое же включение синфаз­ ных генераторов должно быть и в МУ по схеме рис. 2.38,а для сложения их мощностей в нагрузке К„. Используе­ мый в МУ трансформатор имеет при этом коэффициент трансформации на­ пряжения 1: -1, т.е. осуществляет по­

ворот фазы напряжения на 180°. Балластный резистор Кб в схеме рис. 2.38,а может подключаться с помощью трансформатора с ко­ эффициентом трансформации напряжения 1:1. Подобная схема МУ представлена на рис. 2.40. Подключение балластного резистора Кб через трансформатор Тр2 позволяет соединить один его конец с кор­

пусом (землей) устройства, облегчая этим отвод тепла от резистора, т. е. улучшая условия его охлаждения.

Подобная схема (рис. 2.40) приво­ дится в [5, с.190; рис. 3.39,а]. Однако обозначение точек согласного включения обмоток трансформатора Тр| на ней сле­ дует признать некорректным. В [6, с. 12; рис. 1.6,а] приводится схема, полностью со­ ответствующая показанной на рис. 2.38,а.

ней цепи токи амплитудой /, амплитуда результирующего тока 11(п через нагрузку Киравна 21. Мощность в нагрузке при этом:

Мощность, отдаваемая одним генератором,

1

^ г = ^ л11= / 2Лн.

Из условия

Р г = ^ -/2Лвх

2

на основании последних соотношений получаем для резистивной составляющей входного сопротивления МУ: 7?вх = 2КН.

В случае идентичных синфазных генераторов и 100 % магнит­ ной связи между обмотками результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора Тр (см. рис. 2.38,6) равен нулю: токи генераторов протекают через обмотки в противоположных направ­ лениях относительно концов согласного включения. В итоге резуль­ тирующая индуктивность намагничивания трансформатора оказы­ вается равной нулю и генераторы как бы напрямую присоединяют­ ся к нагрузке К„.

Чтобы при выходе из строя одного из генераторов резистивная составляющая входного сопротивления для другого генератора ос­ тавалась равной 2КИ, необходимо иметь Кб = 4Кн.

Действительно, при коротком замыкании одного из генерато­ ров другой оказывается нагруженным на электрическую цепь по схеме рис. 2.41. Обмотки трансформатора оказываются включен­ ными последовательно, и напряжение на нагрузке 11Нн можно счи­

тать равным 1Л2, где V - амплитуда напряжения генератора. Мощность в нагрузке Кн\

8Л„.

Из условия:

на основании последних соотношений получаем для пересчитанно­ го параллельно генератору сопротивления нагрузки: Кн' = 4/?„. Что­ бы при параллельном соединении К» и Кб результирующее сопро­ тивление оказалось равным 2Ки, должно быть Кб =47?н-

Обратим внимание, что схема рис. 2.41 подобна схеме пони­ жающего ТЛ с коэффициентом трансформации напряжения 1/2 (см. рис. 1.56, п. 1.2.4) при исключении из схемы отрезка линии, образо­ ванного проводами 3, 4 (см. рис. 1.74, п. 1.2.6). Эквивалентная схе­ ма такого ТЛ с использованием символики двухобмоточного транс­ форматора соответствует понижающему автотрансформатору (см. рис. 1.58, б, п. 5.2.4). В схему (рис. 2.41) добавлен резистор Кб, соз­ дающий дополнительную нагрузку на источник сигнала.

Рис. 2.42

Балластный резистор Лд в схеме МУ рис. 2.38,6 может быть подключен через трансформатор с коэффициентом трансформации напряжения 1:1, как показано на рис. 2.42. Подключение балластно­ го резистора через трансформатор Тр2 позволяет улучшить усло­ вия охлаждения В.§. Подобная схема МУ представлена в [5, с. 190; рис. 3.39,6]. Трансформатор Тр в схеме рис. 2.38,6 и трансформатор Тр, в схеме рис. 2.42 являются трансформаторами с коэффициентом

Реактивные составляющие входных сопротивлений МУ со сто­ роны каждого из генераторов обусловливаются индуктивностью намагничивания и индуктивностями рассеяния обмоток трансфор­ матора, а также межвитковыми и монтажными емкостями. В при­ ложении 4 рассмотрен вопрос о входных сопротивлениях и вза­ имном влиянии генераторов при реализации устройства по схеме рис. 2.38,6 на основе высокочастотного трансформатора без ферри­ тового сердечника, что облегчает интерпретацию результатов.

Реактивные составляющие входных сопротивлений в любой схе­ ме учитываются при разработке цепи согласования - колебательной системы генератора.

Трансформаторные МУ типа рассмотренных выше широко применялись в 50-х годах при построении радиопередатчиков гектометровых волн [б]. В настоящее время они широко используются при построении мощных транзисторных генераторов в диапазоне частот от 0,1 МГц до 50... 100 МГц [9]. При заданной нагрузке Ян трансформаторное МУ со сложением напряжений (рис. 2.38,а) по­ зволяет понизить входное сопротивление (Явх = Кн/2), а трансфор­ маторное МУ со сложением токов (рис. 2.38, б) позволяет повысить входное сопротивление (Явх = 27?н), что важно при разработке схе­ мы генератора: если для транзисторного генератора требуется низ­ коомное сопротивление нагрузки, то целесообразно применять устройство со сложением напряжений, если же для транзисторного генератора требуется высокоомное сопротивление нагрузки, то це­ лесообразно применять устройство со сложением токов.

Выше отмечалось некоторое родство схем трансформаторных МУ для суммирования мощностей двух генераторов с ТЛ, имею­ щим коэффициент трансформации напряжения 2 или 1/2. Соответ­ ственно трансформаторные МУ могут быть реализованы не только на основе трансформаторов обмоточного типа, но и с использова­ нием ТЛ.

На рис. 2.44 показана схема МУ на основе ТЛ для сложения напряжений двух генераторов Г], Г2. Для изготовления ТЛ требуют­ ся два отрезка линии I, II с волновым сопротивлением 2о = Лн/2.

Схема рис. 2.44 родственна схеме повышающего ТЛ с коэффи­ циентом трансформации напряжения, равным двум (см. рис. 1.41, п. 1.2.3). При использовании коаксиальной линии и подключении генераторов к центральным проводникам отрезок II может быть раз­ мещен без какого-либо сердечника или каркаса. Сопротивление балла­ стного резистора /?б = Ян. Резистивная составляющая входного соп­ ротивления МУ, пересчитанная параллельно генератору, Лвх = /?„/2.

Используя символику обозначения двухобмоточного транс­ форматора, рассматриваемому МУ в соответствие может быть по­ ставлена эквивалентная схема (рис. 2.45).

Если пренебречь отрезком линии II, то эквивалентная схема рис. 2.45 окажется идентичной МУ по схеме рис. 2.38,а.

МУ для сложения напряжений трех генераторов может быть реализовано на основе повышающего ТЛ с коэффициентом транс­ формации напряжения три на трех отрезках линии. Схема такого МУ показана на рис. 2.46. Волновое сопротивление линии для изго­ товления ТЛ 2о = Яц/3. В МУ включаются три балластных резистора Лб = КИ. Резистивная составляющая входного сопротивления МУ со стороны каждого генератора Лвх = /?„/3 = 2о. При использовании коаксиальной линии и подключении генераторов к центральным проводникам отрезок III может быть размещен без ферритового сердечника или какого-либо каркаса.

По аналогичному принципу на основе соответствующих ТЛ реализуются МУ для сложения напряжений четырех и более гене­ раторов. Волновое сопротивление линии для изготовления ТЛ 2о = Ян/К где N - число генераторов, напряжения которых склады­ ваются. На практике в одной схеме МУ суммируют напряжения не бо­ лее трех-четырех генераторов [9]. Балластные резисторы в схемах МУ с числом генераторов три и более могут быть включены как по схе­ ме соответствующего многоугольника (ЛГ -угольника), так и по схе­ ме соответствующей звезды (//-лучевой звезды). На схеме рис. 2.46 балластные резисторы включены по схеме треугольника. Включе­ ние балластных резисторов по схеме треугольной звезды представ­ лено на рис. 2.47.

Если обозначить сопротивление балластного резистора в схеме

Соотношение (2.92) применяется при N >3.

Для обеспечения в аварийном режиме, например при коротком замыкании одного из генераторов, значения резистивной состав­ ляющей входного сопротивления для работающего генератора та­ кой же величины, как в номинальном режиме при работе всех N генераторов, равной Лвх - КНШ = 20, необходимо иметь сопротивле-