Усилитель класса д на тетроде

 

Использование: в радиопередатчиках в качестве модулятора. Сущность изобретения: снижение мощности, рассеиваемой в цепи экранирующей сетки тетрода, достигается тем, что в устройстве, содержащем формирователь сигнала с широтно-импульсной модуляцией, мощный ключевой усилитель на тетроде и нагрузку, к экранирующей сетке тетрода подключен выход катодного повторителя, который питается от источника экранного напряжения, благодаря чему напряжение на экранирующей сетке изменяется в соответствии с усиливаемым сигналом, при этом существенно снижается ток экранирующей сетки и потери на ней. 2 ил.

Изобретение относится у радиотехнике и может использоваться в мощных радиопередатчиках в качестве модулятора.

Использование ключевых усилителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в качестве модуляторов позволяет повысить КПД передатчиков, отказаться от использования громоздких модуляционных трансформаторов, а также усиливать огибающую амплитуд однополосного сигнала в высокоэффективных радиопередатчиках с однополосной модуляцией. При этом в качестве ключевых элементов в большинстве практических схем мощных ШИМ модуляторов используются тетроды.

Из известных ключевых модуляторов наиболее близким по своей технической сущности является однотактный ШИМ усилитель, где в качестве ключевого элемента используется тетрод, на управляющую сетку которого подают ШИМ сигнал, т. е. прямоугольные импульсы, длительность которых изменяется в соответствии с мгновенным значением модулирующего напряжения. Усиленное ШИМ напряжение с анода тетрода через фильтр низкой частоты, восстанавливающий модулирующий сигнал, поступает в нагрузку, роль которой играет оконечный каскад радиопередатчика.

Тетроды требуют для возбуждения меньшей мощности в цепи управляющей сетки, чем триоды, но при использовании тетродов возникает необходимость так выбирать режим работы лампы, чтобы мощность потерь на экранирующей сетке не превосходила допустимый уровень. Особенно это существенно при использовании тетрода в ключевом режиме, когда значительную часть периода частоты коммутации тетрод находится в насыщении. При этом величина остаточного напряжения на аноде мала, следовательно, резко возрастает ток экранирующей сетки и величина мощности, рассеиваемой на ней.

Значительные потери мощности на экранирующей сетке тетрода являются недостатком прототипа, который снижает срок службы ламп, а также ограничивает выходную мощность ШИМ-усилителя. Известные меры по ограничению тока экранирующей сетки с помощью дросселя практически не уменьшают величину мощности, рассеиваемой на экранирующей сетке тетрода однотактного ШИМ-модулятора радиопередатчика в режиме молчания, когда скважность импульсов равна 2, а напряжение на выходе модулятора равно половине максимального значения, в то время как расчеты с использованием нелинейной математической модели тетрода показывают, что именно в таком режиме средняя мощность потерь в цепи экранирующей сетки близка к максимальной.

Цель изобретения - снижение мощности, рассеиваемой в цепи экранирующей сетки тетрода.

Это достигается тем, что в усилителе с ШИМ на тетроде, содержащем формирователь сигнала с ШИМ, выход которого подключен к управляющей сетке тетрода, источник экранного напряжения, отрицательная шина которого заземлена, катод тетрода также заземлен, анод тетрода соединен с анодом диода, катод которого подключен к положительной шине источника анодного питания, отрицательная шина этого источника заземлена, первые отводы нагрузки усилителя и конденсатора фильтра низкой частоты соединены с положительной шиной источника анодного питания, их вторые отводы соединены вместе и через катушку индуктивности фильтра подключены к аноду тетрода, положительная шина источника экранного напряжения подключена к шине питания катодного повторителя, выход которого соединен с экранирующей сеткой тетрода, вход формирователя сигнала с ШИМ, являющийся входом для усиливаемого сигнала, подключен к первому входу сумматора, к второму входу которого подключен источник постоянного смещения, а выход сумматора через усилитель постоянного тока соединен с входом катодного повторителя.

Введение новых признаков влечет за собой новые свойства усилителя, которые заключаются в том, что напряжение на экранирующей сетке тетрода l_с2 плавно изменяется по линейному закону в соответствии с величиной аналогового сигнала на входе усилителя U_вх. При этом максимальное значение напряжения на экранирующей сетке Е_с2макс примерно равно напряжению на выходе источника экранного напряжения, а величина начального смещения регулировочной характеристики Е₁ задается путем соответствующего выбора величины коэффициента усиления К усилителя постоянного тока, имеющего нулевой начальный ток, и выходного напряжения источника смещения Е₁^l K= E= , (1) где U_{вх макс} - максимальное значение усиливаемого однополярного сигнала U_вх.

Максимальное значение напряжения на экранирующей сетке Е_с2 макс выбирается исходя из возможности обеспечения достаточно высокого КПД модулятора в пиковой точке модуляции (при U_вх = U_{вх макс}). Увеличение напряжения на экранирующей сетке лампы ключевого усилителя приводит к уменьшению остаточного напряжения на аноде, следовательно, к увеличению КПД анодной цепи модулятора (должно также соблюдаться условие Е_{с2 макс} < Е_{с2 доп}, где Е_{с2 доп} - допустимое значение напряжения на экранирующей сетке).

Расчеты показывают, что при использовании современных мощных тетродов величина начального смещения Е₁ может быть выбрана близкой к нулю, что практически мало сказывается на форме статической характеристики ШИМ-усилителя, представляющей собой зависимость постоянного напряжения на нагрузке от величины постоянного напряжения на входе, следовательно, уровень нелинейных искажений выходного сигнала также не меняется. При этом средний ток и потери в цепи экранирующей сетки по сравнению со случаем нерегулируемого экранного напряжения l_c2 = Е_{с2 макс} (т. е. по сравнению с прототипом) в режиме молчания снижаются примерно вдвое, причем лишь половина указанной мощности рассеивается на экранирующей сетке тетрода (остальная часть рассеивается в катодном повторителе), т. е. мощность, рассеиваемая на экранирующей сетке, снижается примерно в 4 раза по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 приведена зависимость напряжения на экранирующей сетке тетрода от величины напряжения на входе усилителя; на фиг. 2 - функциональная схема предлагаемого ШИМ-усилителя.

Функциональная схема включает в себя формирователь 1 ШИМ сигнала, тетрод 2, источник 3 экранного напряжения, диод 4, нагрузку усилителя 5, конденсатор 6 фильтра низкой частоты, источник 7 анодного питания, катушку 8 индуктивности фильтра, катодный повторитель 9, сумматор 10, источник напряжения 11 смещения и усилитель 12 постоянного тока.

При этом выход формирователя 1 подключен к управляющей сетке тетрода 2, отрицательная шина источника 3 заземлена, катод тетрода 2 также заземлен, анод тетрода соединен с анодом диода 4, катод которого подключен к положительной шине источника 7, отрицательная шина этого источника заземлена, первые отводы нагрузки усилителя 5 и конденсатора 6 фильтра низкой частоты соединены с положительной шиной источника 7, а их вторые отводы соединены вместе и через катушку 8 индуктивности фильтра подключены к аноду тетрода 2, положительная шина источника 3 подключена к шине питания катодного повторителя 9, выход которого соединен с экранирующей сеткой тетрода 2, вход формирователя 1, являющийся входом для усиливаемого сигнала, подключен к первому входу сумматора 10, к второму входу которого подключен источник 11 напряжения смещения, а выход сумматора 10 через усилитель 12 соединен с входом катодного повторителя 9.

Устройство работает следующим образом.

Модулирующий сигнал U_вх поступает на вход формирователя 1 ШИМ сигнала, который формирует на управляющей сетке тетрода 2 импульсы напряжения, длительность которых пропорциональна величине модулирующего сигнала. Соответственно напряжение на аноде тетрода 2 также имеет форму ШИМ импульсов. Изменяющаяся в соответствии с модулирующим сигналом составляющая этого напряжения выделяется фильтром низкой частоты, состоящим из катушки 8 индуктивности и конденсатора 6, и поступает в нагрузку усилителя 5. Роль нагрузки играет оконечный каскад радиопередатчика, в котором производится анодная модуляция. Питание анодной цепи тетрода 2 производится от источника 7 напряжения. Диод 4 замыкает ток катушки 8 индуктивности в моменты времени, когда тетрод 2 заперт.

Входной сигнал модулятора U_вх подается также на один из входов сумматора 10, где суммируется с выходным напряжением источника 11 смещения, а суммарный сигнал усиливается до требуемой величины усилителем 12 постоянного тока (величины коэффициента усиления К усилителя 12 и напряжения источника смещения Е₁^l определяются формулами) и через катодный повторитель 9, питающийся от источника 3 экранного напряжения, подается на экранирующую сетку тетрода 2.

Максимальное напряжение на экранирующей сетке мощных тетродов находится в пределах 1-2 кВ, а мощность, рассеиваемая на экранирующей сетке, - порядка единиц кВт, поэтому в катодном повторителе может использоваться относительно маломощная лампа.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется тем, что благодаря ему удается по сравнению с прототипом в несколько раз снизить величину мощности, рассеиваемой на экранирующей сетке тетрода, используемого в качестве ключевого элемента, следовательно, либо увеличить срок службы тетрода, либо существенно повысить выходную мощность радиопередатчиков с высокоэкономичными ШИМ модуляторами. (56) Зарубежные радиопередающие устройства. / Под ред. Г. А. Зейтленка и А. Е. Рыжкова. М. : Радио и связь, 1989, с. 26, рис. 2.12.

Формула изобретения

УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА Д НА ТЕТРОДЕ, содержащий формирователь сигнала с широтно-импульсной модуляцией, выход которого соединен с управляющей сеткой тетрода, катод которого подключен к земляной шине, а анод - к аноду рекуперационного диода и через дроссель фильтра нижних частот - к первым выводам нагрузки и конденсатора фильтра нижних частот, вторые выводы которых соединены с катодом рекуперационного диода и шиной анодного питания, а также источник экранного напряжения, отрицательная шина которого подключена к земляной шине, отличающийся тем, что, с целью снижения мощности, рассеиваемой в цепи экранирующей сетки тетрода, введены катодный повторитель, вывод питания которого соединен с положительной шиной источника экранного напряжения, а выход подключен к экранирующей сетке тетрода, сумматор и источник напряжения смещения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к входу формирователя сигнала с широтно-импульсной модуляцией, а выход сумматора через введенный усилитель постоянного тока подключен к входу катодного повторителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2