УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Советский патент 1944 года по МПК H03F3/28 

Усилитель низкой частоты является преобразователем постоянного тока в переменный и с точки зрения преобразования энергии аналогичен динамомащине; как и в последней, незначительная часть энергии здесь расходуется в цепи возбуждения (цепь сетки), часть энергии превращается в тепло (нагрев анода и нитей накала), остальная часть выделяется на нагрузке (преобразуется в энергию переменного тока).

К усилителю мощности, как и ко всякой электрической машине, должны быть предъявлены, в первую очередь, требования лучшего использования самого устройства (с точки зрения затрат, габаритов и др.) и лучшего использования подводимой мощности (снижение потерь до минимума). Такая постановка вопроса в отношении усилителей мощности вызывается, с одной стороны, ростом самих мощностей усилителей, а с другой стороны, - совершенствованием методов компенсаций искажений, возникающих при лучшем использовании ламп усилителя (компенсация при применении двухкратной схемы, компенсация путем внесения обратных искажений в управляющее переменное напряжение).

Коэфициент использования усилительной аппаратуры в радиовещании очень низок. Объясняется это необычайно широким динамическим интервалом, в который укладываются звуки, могущие найти применение в радиовещании. Если аппаратура будет рассчитана на воспроизведение наиболее мощных звуков, появляющихся в передаче лишь на короткое время, то в среднем она будет использоваться лишь на 0,01%; этот коэфициент поднимается до 3-5% при пониженном качестве передачи, ограниченной сравнительно узким динамическим диапазоном.

Сказанное относится и к коэфициенту полезного действия, который даже в наиболее совершенных с этой точки зрения усилителях (работающих в режиме класса В по двухтактной схеме) не превышает 20-25%.

В литературе указываются более высокие значения кпд для усилителей в режиме максимального использования их, но во всех случаях эти величины получены для максимальных амплитуд ( и т.д.), которые появляются на наиболее короткое время и сравнительно редко.

Если режим является оптимальным для максимальных амплитуд, то в течение большей части времени усилитель работает в явно невыгодном режиме - с очень низким кпд.

Низкий коэфициент полезного действия усилителей удорожает эскплоатацию их, вследствие плохого использования подводимой к ним мощности. Большой запас мощности, требуемой в усилителях низкой частоты, увеличивает затраты на изготовление аппаратуры, увеличивает габариты ее и удорожает эксплоатацию (замена дорогостоящих деталей).

К решению указанных проблем можно подойти на основе анализа амплитудного состава звуков, подлежащих передаче по радиоцепи.

Основная причина низкого использования усилителей в установках радиовещания, а также и подводимой к ним мощности, кроется в том, что амплитуды колебаний, подлежащих усилению, резко неодинаковы по величине и продолжительности действия, а режим усилителя неизбежно приходится выбирать соответственно максимальной амплитуде, хотя и длящейся очень малое время. Поэтому улучшение коэфициентов использования и полезного действия радиовещательных усилителей может быть достигнуто путем раздельного усиления резко разнящихся по величине амплитуд (или достигаемых ими значений) переменного напряжения, полученного при электрической передаче, соответствующей динамике музыки и речи.

Сущность идеи раздельного усиления амплитуд и заключается в том, что на входе каскада усиления различные по величине амплитуды (или различные значения одной и той же амплитуды) направляются по различным каналам, усиливаются раздельно и затем снова суммируются в нагрузке.

С этой целью в предлагаемом усилителе, состоящем из двух или более ламповых каналов усиления, вступающих в работу на общую нагрузку при различных амплитудах напряжения возбуждения, согласно изобретению, постоянные анодные и сеточные напряжения разных каналов выбраны различными с тем, чтобы при малых амплитудах напряжения возбуждения работал канал малой мощности, а при больших амплитудах вступал в работу канал большой мощности, и чтобы импульсы тока, посылаемого в нагрузку названными каналами, дополняли друг друга до импульса неискаженной формы.

Изложенная сущность изобретения иллюстрируется прилагаемым чертежом, на фиг. 1-9 которого показаны диаграммы, поясняющие принцип, лежащий в основе изобретения, на фиг. 10, 11, 12 - три возможных электрических схемы предлагаемого усилителя, на фиг. 13-14 - диаграммы, поясняющие работу схемы по фиг. 10, и на фиг. 15 - эквивалентная схема усилителя.

Нетрудно показать, что действительный кпд усилителя в несколько раз меньше расчетного кпд, т.е. того кпд, который получается из расчета усилителя.

Пусть усилительная лампа поставлена в условия ее максимального использования, т.е. работает в одном из плеч двухтактной схемы, в режиме класса В и при условиях оптимальной нагрузки (α>4). При этом мощность Ра рассеяния на аноде и кпд η будут изменяться в зависимости от анодного тока I_n, соответственно кривым на фиг. 1, составленным из конкретного случая использования лампы М-800 (М2300) при Еа=4500 V, α=6 (Ri этой лампы равно 5250 Ω).

На фиг. 2 показана средняя статистическая кривая, дающая зависимость между достигаемыми значениями амплитуд и продолжительностью их в передаче за некоторый промежуток времени.

Совместное рассмотрение кривых фиг. 1 и 2 позволяет сделать вывод, что коэфициент полезного действия усилителя низкой частоты, отнесенный к некоторому промежутку времени, значительно меньше значения кпд в момент максимальной амплитуды, и поэтому последняя не определяет собой ни экономичности режима, ни степени использования лампы.

Можно показать, что среднее значение кпд η_ср=0,25-0,3 η_max, а коэфициент использования ζ лампы, если расчет анода на нагрев вести применительно к I_nmax,

Чем выше кпд, тем меньше мощность, рассеиваемая на аноде, и тем шире может быть использована лампа; при этом для получения заданной мощности может быть снижен общий номинал мощности ламп или уменьшено количество их при прежнем номинале. Другими словами, чем меньше ширина интервала I_nmax-I_nmin анодных токов, тем лучше будет использоваться лампа и подводимая к ней мощность.

Если нельзя значительно уменьшить этот интервал путем искусственного сжатия диапазона, задаваемого естественной динамикой речи и музыки, поскольку это связано с недопустимым ухудшением качества передачи, то, согласно изобретению, это делается путем разбивки интервала амплитуд (или достигаемых ими значений) на два или несколько раздельно усиливаемых участков, и это нисколько не повлияет на качество передачи.

Для достижения требуемого эффекта может быть произведена разбивка либо интервала самих амплитуд, либо интервала достигаемых амплитудами значений. Первое означает, что все амплитуды, не превосходящие определенной величины, относятся к одному участку, а превосходящие эту величину - к другому участку (фиг. 3). Второе означает, что достигаемые значения амплитуд, не превосходящие определенной величины, относятся к одному участку, а превосходящие эту величину - к другому участку (фиг. 4).

Соответствующим подбором режимов (при раздельном усилении) можно осуществить тот или иной принцип амплитудной селекции, но в практических схемах они действуют и совместно, дополняя друг друга в процессе усиления.

Усилительные лампы (или пары ламп, работающие двухтактно) могут быть поставлены в такой режим, при котором одна из них (или одна пара) будет пропускать относительно малые значения амплитуд, а другая - только превосходящие их значения таким образом, чтобы весь интервал достигаемых значений амплитуд оказался разделенным на два или несколько участков, усиливаемых раздельно (фиг. 5).

Это может быть достигнуто путем подбора соответствующего смещения для ламп и подбора самих ламп, при соответствующем построении самой схемы усиления. Ограничение амплитуд снизу можно получить, сдвинув рабочую точку далеко в отрицательную область за счет большого отрицательного смещения на сетку, превышающего запирающее напряжение лампы для выбранного напряжения на аноде (фиг. 6). Тогда ограничение амплитуд сверху может быть получено автоматически за счет свойств самой схемы (см. ниже) - это в принципе будет соответствовать первому способу разбивки амплитудного спектра.

Если же ограничение амплитуд сверху производить путем включения в цепь сетки лампы сопротивления R_g, на котором будет получаться дополнительное отрицательное смещение, автоматически запирающее лампу при больших значениях амплитуд (фиг. 7), - амплитудный спектр можно разделить на части соответственно второму способу.

Применяя один из этих способов, можно произвести разбивку всего диапазона значений амплитуд на два или несколько частичных диапазонов, причем каждая повторная разбивка будет иметь все меньшее значение в смысле выигрыша в кпд, чем предшествующая ей. Последнее можно наглядно проиллюстрировать следующим образом.

На фиг. 8 и 9 прямая ВВ, параллельная оси амплитуд, отстоит от нее на расстоянии, равном η_max=0,785 - предельно возможному значению кпд для максимальной амплитуды для усилителей, работающих в режиме класса В. При этом фиг. 8 соответствует разбивке интервала на два равных участка, а фиг. 9 - на восемь участков.

Очевидно, чем больше интервалов, тем выше η_ср, и в пределе он становится равным η_max=0,785 (для режима класса В), когда ломаная линия абвгдеж (фиг. 9) сливается со сторонами прямоугольника. При увеличении η_max (т.е. при работе в другом режиме) соответственно увеличится и η_cp.

Очевидно также, что наибольшую роль в смысле выигрыша в кпд играет первое деление интервала на два участка; каждая последующая разбивка интервала приносит все меньший дополнительный выигрыш, постепенно приближающийся к нулю. Представление о максимально-возможном выигрыше в кпд может быть получено на основе следующих соображений.

Приняв, что среднее значение амплитуды в данном отрывке передачи равно 25% от максимального, будем иметь:

при пропускании всего диапазона через один канал усилителя. При раздельном усилении каждой из половин динамического диапазона

так как в полученных каналах усиления отношение максимальных амплитуд к средним понизится, примерно, в два раза (т.е. достигнет двух вместо четырех в первичном диапазоне). При дальнейших разбивках диапазона это отношение амплитуд будет понижаться все медленнее, стремясь к единице.

В пределе

т.е. будем иметь выигрыш в кпд в 4 раза.

Заметим, что при обычном способе усиления в режиме класса В η_max=78,5%; в практических условиях работают при значениях кпд порядка 40-60%; при этом действительный кпд не превышает 10-15%.

На фиг. 10, 11 и 12 показаны различные схемы усилительного каскада с раздельным усилением амплитуд.

Каскад сострит из двух двухтактных схем, получающих переменное напряжение на сетки ламп от одного предварительного каскада через общий входной трансформатор и работающих на одну нагрузку также через общий выходной трансформатор. В орущем случае, анодное напряжения и напряжения на нагрузке различны для каждого из каналов и выбираются (или получаются) в соответствии с принятым отношением значений амплитуд, подлежащих раздельному усилению.

На входы ламп обоих каналов со вторичной обмотки входного трансформатора подается одно и то же переменное напряжение U_mg, но ввиду примененной на входе лампы амплитудной селекции это напряжение не пройдет целиком ни в один из каналов: канал 1 пропустит только полосу малых значений амплитуд (например ), в канал 2 пройдет полоса больших значений амплитуд (например ). На концах включенных в каналы 1 и 2 обмоток A₁ и А₂ выходного трансформатора будут получены напряжения соответствующих значений амплитуд, а на концах обмотки В - суммарное напряжение, которое и будет подведено к сопротивлению нагрузки. Соотношения между амплитудами результирующего выходного напряжения останутся такими же, как и в первоначальном (входном) напряжении.

Лампы в канале 1 могут быть взяты меньшими, поскольку напряжение и мощность рассеяния на аноде здесь значительно меньше. Различие параметров этих ламп нисколько не повлияет на работу каскада, если, разумеется, оно будет принято во внимание при расчете.

Эффект лучшего использования подводимой мощности при таком способе усиления, по сравнению с обычным, будет получен в связи с тем, что коэфициент использования анодного напряжения при средних и малых значениях амплитуд в несколько раз повысится. Поэтому каскад будет работать с повышенным средним кпд.

С другой стороны, при применении подобной схемы изменяется, по сравнению с обычной схемой, подводимая к лампе форма напряжения, соответственно получается и сложная форма анодного тока, что ведет к повышению кпд анодной цепи лампы. Поэтому каскад будет работать с повышенным максимальным (в максимальном режиме) кпд. (Разумеется, полный импульс анодного тока, составленный из импульсов отдельных каналов, будет по-прежнему синусоидальным. Изменение формы тока, по существу, означает лишь изменение режима работы данной лампы.)

Сами лампы также будут лучше использованы, во-первых, в связи с уменьшением рассеяния на аноде и, во-вторых, вследствие сужения динамического интервала, подлежащего усилению лампой. Следует указать, что принципиально тот же эффект мог бы быть получен при одинаковых напряжениях на анодах, но при соответственно подобранных коэфициентах нагрузки α для каждого канала.

Но отсюда вытекают специальные требования к лампам, способным обеспечить нужные соотношения между коэфициентами нагрузок различных каналов.

Кроме того, при наличии двух каналов один из них будет работать больше по току, другой - по напряжению; специальные лампы, при изготовлении которых было бы учтено это обстоятельство, обладали бы большей экономичностью и упрощенной конструкцией.

Если разработать специальный тип ламп, со свойствами, отвечающими принципам раздельного усиления амплитуд, то требуемый общий режим усилителя может быть получен при совершенно одинаковых частных режимах в его каналах; в пределе эти каналы могут слиться вместе, образуя один канал.

Как видно из диаграммы на фиг. 13, работа каскада с раздельным усилением амплитуд будет протекать следующим образом:

Пусть в течение первого полупериода работают лампы I′ и II′ (фиг. 10).

Как только будет подано на сетки ламп переменное напряжение, начнет работать канал малых амплитуд (обозначен цифрой 1). Пока амплитуды не достигнут значений U_g≥U_g1, будет работать только этот канал; при этом канал «больших амплитуд» (обозначен цифрой 2) будет заперт, так как отрицательное напряжение на сетке |E_g|-|E_g1| останется больше запирающего напряжения лампы.

При появлении в передаче амплитуды U_g>U_g1 первым включается в работу опять-таки канал 1. В момент, соответствующий углу когда амплитуда U_g достигнет значения начнет работать канал 2, разгружая канал 1.

Действительно, начав работать, этот канал заставит канал 1 разгружаться, а затем и вовсе выключиться под действием быстро нарастающей величины эдс, наводимой в цепи его анодов (через обмотку A₁ трансформатора) и находящейся в фазе с собственным напряжением на концах этой обмотки. (Уменьшение тока канала 1 равносильно увеличению его эквивалентного сопротивления и уменьшению эквивалентного сопротивления канала 2, в котором ток в это время возрастает.) Процесс обрыва тока в канале 1 будет протекать быстрее, чем происходило его нарастание. Он начнется при u_a1=U_a1 cosΘ и кончится при е_а1=0.

Угол Θ_о, соответствующий моменту провала тока, может быть определен из выражения

С момента до момента ωt=π-Θ_о оба канала будут работать одновременно. За время, соответствующее углу 2Θ, наводимая со стороны обмотки А₂ в обмотке A₁ эдс возрастет до максимума, а затем начнет спадать, и к моменту упадет до нуля.

Соответственно этому будет возрастать напряжение на аноде лампы канала 1, и канал этот в момент опять начнет нагружаться, наводя в свою очередь соответствующую эдс в обмотке А₂. Ток в этом канале снова достигнет максимума в момент, соответствующий углу С момента до момента оба канала работают опять одновременно.

В момент, соответствующий углу канал 2 выключается, так как мгновенное напряжение на сетке U_g, уменьшаясь, в этот момент снова пройдет через значение U_g=U_g1, а, как уже известно, для значений U_g<U_g1 лампы этого канала заперты; быстрому запиранию лампы будет содействовать и уменьшение напряжения на ее аноде под влиянием наводимой эдс в обмотке А₂ со стороны обмотки A₁.

С этого момента до конца первого периода будет работать только канал 1, а затем, с начала второго полупериода процесс начнет повторяться, только в работу вступит другая пара ламп - лампы I′′ и II′′ (вместо I′ и II′), которые до этого были заперты. Таким образом, при работе каскада поочередное запирание и открывание каналов происходит автоматически за счет падения напряжения на анодах одних ламп под воздействием возрастающего анодного напряжения других ламп; ограничивающее устройство в цепи сеток играет при этом лишь вспомогательную роль и во многих случаях может быть упразднено.

Как, видно по диаграмме работы каскада (фиг. 13), каналы 1 и 2 работают со сложными формами тока. Импульс анодного тока канала 2 состоит из остроконечного импульса с углом отсечки Θ и плоского импульса с нижним углом отсечки Θ₀ и верхним углом отсечки Θ; форма импульса анодного тока канала 1 характерна для перенапряжения режима с нижними углами отсечки: Θ₀=90° и верхним углом отсечки Θ.

Однако, в действительности, режим канала 2 не будет перенапряженным, так как не будет ряда сопутствующих этому режиму явлений. Объясняется это тем, что в действительности смещение здесь все время остается отрицательным и постоянным по величине, переменное напряжение на сетке тоже не может увеличиваться (для этого включены в цепь сетки ограничивающие сопротивления), а убывание напряжения на аноде лампы происходит за счет постороннего для лампы источника энергии.

Совершенно ясно, что, используя преимущества режимов каждого из каналов, усилитель в целом лишен присущих ему недостатков, так как импульсы анодных токов, складываясь, дополняют друг друга до нормального неискаженного импульса, и усилитель таким образом работает в нормальном режиме с полным синусоидальным импульсом. Взаимное вписывание сложных импульсов анодных токов может быть идеально точным: это зависит от выбранного режима ламп, подбора самих ламп и, наконец, от их совершенств. Практически же этого добиваться и не следует, так как небольшие неточности при вписывании кривых компенсируются при совместной работе ламп и особенно при двухтактной схеме (не говоря уже о случаях применения обратной отрицательной связи).

Следует указать, что принцип совместной работы ламп здесь аналогичен принципу работы ламп в двухтактной схеме (фиг. 14 - где изображена динамическая характеристика каскада). Принципиальное отличие заключается в том, что в двухтактной схеме сложение импульсов происходит за целый период (как сумма двух полупериодов), а в предлагаемой схеме - еще и в течение одного полупериода (как сумма частей одного полупериода). Таким образом, схема представляет собою как бы «двойную двухтактную» схему.

Эквивалентная схема каскада с совместной работой ламп по принципу раздельного усиления амплитуд представлена на фиг. 15. Эта схема может быть названа «четырехтактной». Можно доказать совершенно строго, что двухтактная схема является частным случаем «многотактной» схемы.

Повышение кпд не является единственным преимуществом предлагаемого усилителя. По предположениям автора, применение усилителей с раздельным усилением амплитуд может дать, даже при существующих типах ламп, следующие выгоды:

1. Повышение действительного кпд усилителя на 30-40%, т.е. в два-три раза против существующих значений.

2. Повышение максимального кпд усилителя на 20-30% против существующих значений.

3. Более широкое использование ламп в связи с уменьшением рассеяния на аноде в среднем в два раза.

4. Возможность уменьшения габаритов и упрощения конструкций ламп и других устройств в связи с уменьшением общего номинала мощностей, на который эти устройства должны быть рассчитаны, или, что то же самое, возможность снятия больших мощностей при тех же номинальных данных устройств в связи с лучшим их использованием.

Область применения каскадов с раздельным усилением амплитуд не исчерпывается усилителями большой мощности, где может быть получена большая экономия средств за счет лучшего использования подводимой мощности.

Использование принципа раздельного усиления амплитуд может привести к созданию нового типа малогабаритного и высокоэкономичного усилителя малой и средней мощности с компактными источниками питания постоянного тока, с питанием не только от аккумуляторов, но и от батарей (первичных элементов).

Далее, этот принцип может быть использован для значительного увеличения отдаваемых мощностей существующими типами усилителей при одновременном повышении их кпд.

Для этого можно либо добавить к ним второй канал усиления в виде «приставки» на двух лампах, или, что гораздо выгоднее, использовать в качестве «приставки» блок меньшей мощности, или, еще проще, объединить два усилителя (одинаковых или разных мощностей) в один агрегат для совместной работы их на общую нагрузку. Так могут быть спарены 100-ваттный и 500-ваттный блоки, два 500-ваттных блока (с драйверами или без них) с увеличением общей отдаваемой мощности в несколько раз по сравнению с обычной параллельной работой их на общую нагрузку.

Применением такой совместной работы усилителей одновременно разрешается вопрос о создании резервного тракта передачи, потому что при выходе из строя одного из каналов нагрузка может быть переведена на второй канал, который до исправления поврежденного будет работать с перегрузкой.

Можно указать еще одну область, где принцип раздельного усиления амплитуд может оказаться весьма выгодным. При необходимости построить усилитель, рассчитанный на усиление очень широкого динамического диапазона, мы столкнулись бы с неизбежностью колоссального увеличения его габаритов по сравнению с обычным усилителем почти той же мощности (имеется в виду интегральная мощность). Габариты эти получаются гораздо меньшими при наличии двух или нескольких каналов усиления, раздельно усиливающих отдельные участки, на которые разбит подлежащий усилению диапазон.

По указанию автора, эксперимент подтвердил как возможность совместной работы ламп по описанному принципу, так и сделанные выводы относительно выгод, которые при этом получаются.

Усилитель мощности, состоящий из двух или более ламповых каналов усиления, вступающих в работу на общую нагрузку при различных амплитудах напряжения возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения коэфициента полезного действия путем поддержания коэфициента использования анодного напряжения приблизительно постоянным, независимо от величины напряжения возбуждения, а также для уменьшения габаритов и упрощения усилителя постоянные анодные и сеточные напряжения разных каналов выбраны различными с тем, чтобы при малых амплитудах напряжения возбуждения работал канал малой мощности, а при больших амплитудах вступал в работу канал большой мощности, и чтобы импульсы тока, посылаемого в нагрузку названными каналами, дополняли друг друга до импульса неискаженной формы.