Параллельное включение ламп применяется когда одна лампа не может обеспечить требуемую выходную мощность, или надо понизить резонансное сопротивление контура (Rое), чтобы РА мог нормально работать на ВЧ диапазонах, или и то и другое одновременно. Наиболее часто встречается параллельное включение ламп: ГУ-50х3(4), Г-811х4, ГУ-13х2, ГУ-72х2, 6П45Сх2, также встречается и ГУ-74Бх2, ГУ-78Бх2 и другие варианты параллельного включения ламп. При этом включении работа ламп имеет свои особенности, которые изложены ниже. Данная статья предназначена для радиолюбителей, самостоятельно конструирующих свои усилители мощности.
На рис. 1 приведена схема с параллельным включением двух ламп. Из схемы видно, что одноименные электроды по ВЧ включены параллельно, а по постоянному току раздельно. Это сделано для того, чтобы можно было независимо производить подбор режима каждой лампы. Из условия симметричности следует, что, например, три лампы ГУ-50, при конструировании РА следует располагать в вершинах равностороннего треугольника.
При совместной работе на общую нагрузку лампы воздействуют друг на друга, и в П-контуре течет суммарный ток первых гармоник усиливаемого сигнала Iа11 и Iа12 (первой и второй лампы).
Колебательное напряжение, выделяемое на Rое П-контура, в случае параллельного включения двух ламп равняется:
~ Uа = (Iа11+Iа12) · Rое [1] В идеале, Iа11 = Iа12, но так как на практике этого не бывает, кажущееся сопротивление для каждой из ламп будет:
Z1ое = ~ Ua/ Iа11 = Rое (1 + Iа12/Iа11) [2]
Z2ое = ~ Uа/ Iа12 = Rое(1 + Iа11/ Iа12) [3]
Из [2] и [3] видно, что кажущееся сопротивление нагрузки для каждой из ламп зависит не только от Rое контура, но и от соотношения токов, протекающих в анодных цепях ламп. Наиболее оптимально, когда Iа11 = Iа12, тогда лампы работают синфазно, то есть токи равны по амплитуде и фазе, при этом:
Z1ое = Z2ое = 2 · Rое [4] В этом случае каждая лампа отдает номинальную колебательную мощность ~ Pном и суммарная колебательная мощность равна:
РSколеб = Рном · n, [5] где n - число параллельно включенных лaмп.
Если же Iа11 не равно Iа12 no амплитуде и фазе, кажущиеся сопротивления будут не равны друг другу, и являются комплексными. То есть имеющими кроме активного и реактивные сопротивления, величину и знак которых довольно трудно предугадать, и следовательно лампы не отдадут полную мощность, а суммарная колебательная мощность будет равна:
РSколеб = Рном · n · I, [6] где I = 0,8...0,9 ( в среднем I = 0,85 ). Это особенно заметно на частотах выше 10 Мгц. Для расчета режима наиболее удобно заменить параллельно включенные лампы одной, эквивалентной им, суммарной лампой, обладающей эквивалентными параметрами.
РанодаS = n · Ранода ном [7] где индекс "ном" относится к параметру одиночной лампы, т.е .мощность рассеиваемая анодом суммарной лампы в n. раз больше мощности рассеиваемой анодом одиночной лампы. Аналогично, мощности рассеиваемые сетками, также больше в n раз.
РgS = n · Рg ном [8] где Рg ном - мощность рассеиваемая сеткой одной лампы. Постоянная составляющая анодного тока равна:
Iао S = Iао · n [9] где Iао - постоянная составляющая анодного тока одной лампы. То же самое относится и к крутизне.
SS = Sном · n [10] где = Sном - крутизна одиночной лампы.
Междуэлектродные емкости также возрастают в n раз:
Свх S = Свх. ном · n
Cвых. S = Свх. ном · n [11]
Cпрох. S = Спрох. ном · n
где Свх. ном, Свых. ном, Спрох. ном - входная, выходная и проходная емкости одной лампы, соответственно. Разброс параметров влияет на режимы работы разных ламп, а их различие не дает возможности получить точно удвоенную (или утроенную) мощность, крутизну, анодные токи и т. д. Лампы с разными параметрами имеют разные характеристики, следовательно, суммарная передаточная (анодно-сеточная характеристика) будет иметь изломы, то есть появятся нелинейные искажения. Если число параллельно включенных ламп более четырех, это становится малозаметным и характеристика сглаживается. Суммарное (эквивалентное) сопротивление нагрузки равно:
Rое S = Rое ном/n [12] Если параллельно включены две лампы (оптимальное количество ламп при параллельном включении), то
Rое S = k · Eа/Iао1 + Iао2 При условии, что Iао1 = Iао2,
Rое S = k · Eа/Iао ном · 2.
Значения k для различных ламп и режимов приведены в нижеприведенной таблице.
Режим
АВ
В
С
k
для триодов и пентодов
0,646
0,576
0,56
для тетродов
0,574
0,512
0,498
Недостатки параллельного включения ламп:
1. Необходимость строгой синфазности и равенства амплитуд анодных токов параллельно включенных ламп. Для достижения этого необходима полная симметрия монтажа схемы, обеспечивающая равную длину всех монтажных проводников, подводящих переменное напряжение возбуждения к сеткам ламп (катодам, для схемы с общими сетками) и соединяющих аноды ламп с П-контуром, одинаковые параметры ламп, блокирующих и разделительных конденсаторов. Вообще всех деталей схемы, лежащих по разные стороны от оси симметрии. Допускаемое (желательное) отклонение не более 1...2%.
2. Увеличение вероятности возникновения паразитных колебаний, вызванное появлением дополнительных паразитных контуров, образованных индуктивностями шин, соединяющих одноименные электроды ламп, и междуэлектродными емкостями этих же ламп.
Чтобы уменьшить эту возможность, монтаж схемы следует делать короткими и толстыми проводниками, индуктивное сопротивление которых мало, а сопротивление потерь велико: облуженными припоем содержащим много свинца: ПОС-30, из нихрома, манганина, мягкой нержавеющей стали. Еще лучше - проводниками в виде плоской ленты (шинки), которую рекомендуется выполнить из двух параллельно идущих проводников с высоким удельным сопротивлением.
3. Увеличение вероятности возникновения неисправностей, так как число ламп и других деталей схемы возрастает (никогда не выйдет из строя деталь, которая отсутствует в схеме, она самая надежная).
При выходе из строя одной из ламп, оставшаяся (шиеся) лампа (ы) перейдет (дут) в недонапряженный режим, так как Roe окажется в два раза меньше требуемого (в случае, когда параллельно включены две лампы). Это вызовет уменьшение колебательной мощности примерно в четыре раза: в два раза за счет того, что одна из ламп оказалась отключенной, еще в два раза за счет того, что оставшаяся лампа перейдет в сильно недонапряженный режим, при ее работе на Rое = 0,5 от того, которое необходимо для ее нормального режима. Мощность рассеиваемая на аноде сильно возрастет, и оставшаяся лампа может также выйти из строя из-за перегрева анода.
4. Увеличение Свх S, Свых S,Спрох S емкостей нежелательно, так как это увеличивает вероятность самовозбуждения.
Все вышеперечисленное заставляет избегать параллельного включения большого количества ламп и применять схему с общей (заземленной) сеткой, (сетками), которая значительно устойчивей чем схема с общим катодом, относительно генерации на рабочей (усиливаемой) частоте, несмотря на ее большую реакцию с выхода на вход и склонность к самовозбуждению на УКВ при выполнении РА на триодах, когда не предприняты специальные меры. Вход РА в схеме с общим катодом должен быть достаточно низкоомным, чтобы уменьшить опасность самовозбуждения. Лучше всего если вход РА имеет сопротивление равное выходному сопротивлению трансивера и волновому сопротивлению кабеля, который их соединяет, так как в этом случае по коаксиальному кабелю может протекать любая величина мощности раскачки, и он все время останется согласованным и с трансивером и с усилителем мощности. Дроссель Др2 следует выполнять как показано на рис. 1, чтобы уменьшить возможность возникновения паразитных двухтактных колебаний. Если входное сопротивление РА будет равно 50 или 75 ом, это удобно и с точки зрения согласования выхода трансивера с кабелем и со входом усилителя мощности, и с точки зрения устойчивости РА, потому что на этих величинах входных сопротивлений не сможет выделиться достаточное напряжение, чтобы усилитель мощности (РА) перешел в режим самовозбуждения. Это сопротивления RЗ и R4 на рис. 1 Величина конденсаторов С1 и С2 по этой же причине должна быть достаточно большой, так как большое падение переменного напряжения на них может привести к неустойчивой работе РА.
Шины, соединяющие одноименные электроды, а также детали П-контура (в П-контур входит вывод катода лампы), следует шунтировать низкоомными (5…25…100 ом) безиндукционными резисторами с укороченными выводами, которые следует припаивать к противоположным концам этих шин, особенно если эти шины достаточно протяженные. Это приобретает большое значение в случае, если резонансная частота контуров образованных этими шинами и межэлектродными емкостями ламп совпадет в анодной и сеточной цепях и как следствие, усилитель перейдет в режим генерации на УКВ, что очень опасно, так как амплитуда генерируемых УКВ колебаний обычно очень велика, и они мгновенно выведут РА из строя (лампы, переключатели, токосъемы конденсаторов переменной емкости, вариометров, и т. д.) Индуктивное сопротивление проводников, соединяющих блокировочные конденсаторы в цепи экранной сетки с катодом, должно быть минимальным, а сами конденсаторы должны быть хорошего качества и работать на частотах, которые усиливает РА.
Подбор ламп при их параллельном включении.
Желательно применить совершенно идентичные радиолампы, чего, к сожалению, нельзя достичь на практике. Отбор может производиться по - разному, но наиболее важным является одинаковая крутизна характеристики, чтобы лампы были одинаково нагружены и отдавали одинаковую мощность, следовательно имели равную нагрузку, а значит и работали бы в одном режиме.
Подбирать надо уже оттренированные лампы, выдержанные дополнительно под напряжением накала с небольшим токоотбором: с током покоя равным 10...50% от рекомендованного режима в течении 24...48 часов, чтобы стабилизировалась эмиссия катода.
В любительских условиях подбор радиоламп может быть произведен в самом РА. Для подбора двух ламп с близкой характеристикой, их необходимо иметь в количестве 10...12 штук. Вначале выбираем лампы, которые при рекомендованном напряжении смещения имеют близкие друг к другу значения тока покоя. После этого ставим их поочередно в РА и кратковременно, чтобы не перегреть лампы, подаем 15, 25, 45, 60, 75, 90 и 100% напряжения возбуждения, записывая каждый раз значения анодного тока при настроенном в резонанс П-контуре. Этим самым мы снимаем реальную динамическую характеристику каждой отбираемой лампы. По полученным данным строим характеристики всех ламп на одном рисунке, с координатами: X - напряжение возбуждения, В, а Y - это анодный ток каждой лампы при соответствующей раскачке, мА. По графику удобно и очень наглядно выбирать пару ламп с одинаковой крутизной, ведь их графики идут параллельно друг другу, но немного смещены относительно оси Y. Затем ставим в РА две лампы с наиболее близкими характеристиками и немного изменяя напряжение смещения каждой из них, уравниваем характеристики, так как если лампы имеют одинаковую крутизну, то изменяя напряжение смещения, мы можем сдвигать их характёристики вправо или влево, уменьшая, или увеличивая напряжение смещения. то есть совмещаем характеристики, накладываем их друг на друга по максимальному совпадению. Но часто просто нет выбора.
Например, мы имеем всего две (!) лампы ГУ-78Б, которые имеют значительный разброс по крутизне. Наша задача состоит в том, чтобы лампы были примерно одинаково нагружены и отдавали бы близкую друг к другу мощность, следовательно, работали в одном и том же температурном режиме. Рекомендуемая последовательность действий следующая. Ставим в РА одну из ламп, и устанавливаем рекомендованный ток покоя - 800 мА. После чего ставим вторую лампу и доводим суммарный ток покоя до 1600 мА, то есть токи покоя обоих ламп равны по 800 мА. Кстати, совершенно не обязательно ставить в PА лампы по очереди. Можно ставить их сразу две, а одну из них просто отключать, снимая экранное напряжение. Так удобнее и мы экономим время, так как лампы все время будут прогреты. Отключив одну из ламп, даем 75% напряжения раскачки. Замечаем ток анода, пусть он равен 1200 мА. Отключив первую лампу, подаем на вторую лампу те же 75% напряжения раскачки. Пусть ток анода второй лампы при этом составит 1000 мА. Следовательно, крутизна у первой лампы выше на 20%. Наша задача состоит в том, чтобы при 100% раскачке анодные токи обеих ламп были равны, чего мы добиваемся изменяя смещение каждой из ламп и следя при этом, чтобы суммарное значение токов покоя было равно удвоенному рекомендованному, то есть 1600 мА. Для чего мы немного увеличиваем смещение у первой лампы и немного уменьшаем у второй лампы. Произведя эту операцию несколько раз, методом последовательных приближений, мы решаем эту задачу при максимальном сигнале раскачки. Очевидно, что мы получили одну общую точку на динамической характеристике - при максимальном сигнале. Анодные токи при подаче раскачки у обеих ламп равны друг другу, а суммарный анодный ток равен удвоенному значению этой величины. У ламп токи покоя и напряжения смещения несколько отличаются друг от друга. Это - настройка по максимально отдаваемой мощности и по равному температурному режиму пары ламп, что важно дли их долговечности, и здесь мы сделали все, что было можно сделать.
Но можно выставлять токи покоя и по минимуму комбинационных искажений, для чего надо иметь двухтональный генератор и анализатор спектра, или осциллограф. В крайнем случае, нужен неплохой радиоприемник с аттенюатором и эквивалент нагрузки, на который, в любом случае будет нагружен РА. А в самом крайнем случае, как будет видно из дальнейшего, можно обойтись и почти без всего этого, ограничившись двухтональным генератором и подручными средствами, . "Голь на выдумки хитра!".
Ток покоя надо выставлять по минимуму комбинационных искажений при номинальной выходной мощности. Удобнее всего применить анализатор спектра СК4-59, измеритель частотных характеристик Х1-38, но можно ограничиться и РХ, например, Р-326М, прослушивая третью гармонику и выставляя токи покоя обеих ламп по ее минимуму. Так как при этом угол отсечки приближается к 90°, но на самом деле несколько больше из - за затянутого левого нижнего участка анодно-сеточной характеристики. Кстати, при минимальном сигнале, именно на этом участке и образуются интермодуляционные искажения, так называемые "сплэттеры". Теоретически минимальные искажения при усилении однополосного сигнала получаются при угле отсечки равном 90°. И наконец, самый простой, но вместе с тем достаточно точный и наглядный способ. Для этого надо иметь старый и расстроенный телевизор, или, например, корейский, современный, но который не имеет контуров на входе селектора сигналов, и сильно подвержен воздействию помех от различных источников радиоизлучения.
Выставлять ток покоя при номинальном уровне сигнала, следует ориентируясь на минимальный уровень помех на том канале, который максимально им подвержен. Минимум помех на экране телевизора и даст искомый ток покоя. Конечно, при этом способе (по минимуму искажений, но по максимуму линейности), независимо от приборов, мы скорее всего и не получим той мощности, которая будет при настройке по максимальной отдаваемой мощности, но это дело каждого, в его конкретном случае, решать, что ему важнее. Хотя всеми коллегами по диапазонам и телезрителями приветствуется именно второй способ, по минимуму комбинационных искажений и помех. Его и рекомендует автор.
Литература
1. Радиопередающие устройства. Под редакцией Терентьева Б.П. М, 1963 г, 711 стр.
2. А. Н. Пахлавян. Радиопередающие устройства. М, Связь, 1974 г, 491 стр.
3. О. А. Муравьев. Радиопередающие устройства связи и вещания. М, Радио и связь, 1983 г, 352 стр.