Сложение мощностей
Требуемая мощность передатчика чаще не может быть обеспечена одной генераторной лампой или транзистором. Обеспечить увеличения мощности генераторов можно следующими способами: Параллельный способ включения ЭП Последовательный способ включения ЭП Сложение мощностей генераторов в общем контуре Сложение мощностей генераторов в пространстве Сложение мощностей генераторов с помощью мостовых устройств
Параллельный способ включения электронных приборов (ЭП)
Последовательный способ включения ЭП
Недостатки этих способов - взаимная связь электронных приборов через общее сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление источника возбуждения, а именно: при отказе одного из приборов напряжение на нагрузке уменьшается вдвое, следовательно это эквивалентно уменьшению вдвое сопротивления нагрузки для оставшегося целым ЭП, что приводит к переходу из режима ПР в НР. При этом полезная мощность в нагрузке уменьшается, рассеиваемая на выходном электроде повышается, что приводит к выходу ЭП из строя в результате его перегрева; низкая устойчивость к паразитным генерациям, из-за увеличения числа паразитных реактивностей; неравномерность распределения токов усилительных приборов изза разброса их параметров, а также из-за связи через общую нагрузку, в результате один из приборов с малым сопротивлением будем работать в режиме потребления мощности, а режиме генерации. другой в
Как результат – снижение надежности передатчика, а это важнейшая техническая характеристика радиопередатчика. Поэтому получение большей мощности достигается методом сложения (суммирования) мощностей отдельных сравнительно маломощных генераторов. Различают 3 метода сложения мощностей: a) сложения мощностей нескольких блоков в общем контуре б) сложение высокочастотных полей в пространстве в) сложение мощностей с помощью мостовых устройств Требования, которые должны выполняться при сложении мощностей: 1. каждый из генераторов должен быть согласован с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность Р~N 2. общая мощность, выделяемая в нагрузке, должна быть равна сумме отдельных генераторов Рн = n. PN 3. входы суммирующих устройств должны быть взаимно независимыми - чтобы изменение режима одного из генераторов не изменяло режимы работы остальных 4. при неисправности одного из генераторов мощность в нагрузке не должна уменьшаться больше, чем на величину мощности одного из генераторов
Сложение мощностей в общем контуре Оконечный каскад РПДУ выполнен в виде отдельных однотипных блоков, возбуждаемых синфазно от одного общего возбудителя Условие: обеспечение синфазности напряжений возбуждения выходных каскадов блоков, иначе они будут работать как бы на расстроенную нагрузку Принятые обозначения в схеме:
ЗГ- задающий генератор, Б 1, Б 2, Бn-мощные выходные блоки, УРЧ – усилитель радиочастоты. Колебательные контуры блоков связаны с общим выходным контуром РПДУ, где и складываются все мощности. Катушки связи L 2 общего контура подключены параллельно. Преимущества такого способа сложения мощностей – возможность включения и выключения отдельных блоков без перерыва в работе РПДУ, например, если один из блоков будет поврежден, то передатчик будет работать с пониженной мощностью. Недостаток – взаимная связь между блоками через общий контур нагрузки, что сильно усложняет перестройку передатчика, поэтому в перестраиваемых РПДУ ( в диапазоне КВ и выше) такой способ не используют из-за трудностей обеспечения синфазности работы блоков при перестройке, что ухудшает надежность работы передатчика. Применяют такой способ в мощных передатчиках ДСВ, где не требуется частая смена рабочих частот.
Сложение мощностей в пространстве Метод применим в случае необходимости увеличения напряженности электромагнитного поля, создаваемого антенной передатчика в заданном направлении.
Сущность метода: несколько независимых передатчиков работают на одной частоте от одного возбудителя. Например, так работают передатчики бортовых радиолокационных устройств. Каждый передатчик имеет одну антенну направленного действия. Антенны расположены на расстоянии 3 λ/4 Антенны питаются синфазными токами , в пространстве создается общая диаграмма направленности, в месте приема происходит сложение электромагнитных полей и результирующая напряженность поля соответствует суммарной мощности отдельных передатчиков. Если питающие токи сдвинуть по фазе, то результирующая диаграмма направленности гибко изменит свое положение. Однако в результате громоздкости антенн передатчиков ДСВ такой способ в этом диапазоне использования не нашел. В диапазоне КВ применяется в передатчиках для связи на сверхдальние расстояния в условиях плохого прохождения радиоволн.
В диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, когда антенны выполняются в виде полуволновых вибраторов, размеры полупроводниковых высокочастотных генераторов невелики и мощности их соответственно также малы (1 -10) Вт. Это дает возможность на малой площади установить до 1000 отдельных генераторов и антенн и получить большую мощность излучения Достоинство: в случае выхода из строя даже нескольких генераторов в целом мощность передатчика изменяется незначительно. Известно, что совокупность отдельных симметричных полуволновых вибраторов называют антенной фазированной решеткой АФАР. Комбинируя количество вибраторов в вертикальной и горизонтальной плоскостях, можно сформировать требуемую диаграмму направленности, а используя фазирующие устройства, можно ее поворачивать в широких пределах, то есть обеспечивается возможность электронного управления направлением излучения антенны.
Сложение мощностей с помощью мостовых схем Основной недостаток рассмотренных выше схем сложения мощностей – взаимная связь между усилительными приборами генераторов. Уменьшить эту связь можно в мостовых схемах сложения мощностей, называемых сумматорами. Основные требования, предъявляемые к сумматорам: 1. 2. 3. 4. 5. Обеспечение сложения мощностей генераторов Взаимная независимость входов сумматоров Уменьшение мощности Обеспечение заданной широкополосности Обратимость сумматоров
1. Сложение мощностей. Общая мощность Робщ , выделяемая в нагрузке всеми генераторами, должна быть равна сумме мощностей отдельных генераторов Для этого нужно согласовать выход каждого генератора с нагрузкой так, чтобы он отдавал в нагрузку номинальную мощность. Однако в результате разброса параметров транзисторов, разбаланса складываемых по амплитуде и фазе сигналов, КПД сумматора снижается. 2. Независимость входов. Выходы генераторов или входы сумматоров должны быть взаимно развязаны, во избежание влияния изменения режима одного из генераторов на другой. Однако в реальных схемах полной развязки между входами или выходами нет из-за изменения общей нагрузки.
3. Уменьшение мощности. При выходе из строя одного из генераторов общая мощность в нагрузке должна уменьшаться лишь на мощность неработающего генератора. Реально же мощность уменьшается на большую величину, поэтому требуется усложнение схемы. 4. Широкополосность. От сумматоров требуется пропускать заданную и возможно широкую полосу частот. Для расширения полосы дополнительно используются широкополосные трасформаторы. 5. Обратимость сумматоров. Возможность их использования и в качестве суммировании и деления мощностей. Деление необходимо для возбуждения нескольких последующих генераторов.
Мостовое устройство - многополюсник, обеспечивающий совместную взаимонезависимую работу нескольких от дельных генераторов высокочастотных колебаний. Это совокупность пассивных, активных, реактивных элементов, объединенных в систему с лучевой или осевой симметрией , обеспечивающей полную развязку генераторов. Мостовые устройства классифицируются по следующим признакам: по фазовым соотношениям суммируемых сигналов – синфазные, противофазные, квадратурные; по частотным свойствам - на узкополосные (fмакс/fмин ≤ 1, 3) и широкополосные; по элементной базе – устройства на R-, L-, C- элементах, трансформаторные. по способу сложения – по току или по напряжению
Схема квадратурного моста Уитстона R 1, R 2 - активные сопротивления, Х 1, Х 2 - реактивные сопротивления, Г 1 и Г 2 генераторы. В случае отсутствия в реактивных сопротивлениях потерь, и при равенстве амплитуд и фаз токов в нагрузке суммарная мощность в нагрузке будет: Рн = 0, 5(I 1+I 2)2 Rн
При выходе из строя одного из генераторов суммарная мощность разделится пополам между сопротивлением нагрузки Rн и балластным сопротивлением Rбал. Чтобы этого не допустить, автоматически переключают работающий генератор на нагрузку в обход моста. Недостатки: в качестве сумматоров такой мост на применяют, так как нагрузка для каждого из генераторов комплексная и неодинакова по модулю; при заземлении нагрузки выход одного из генераторов должен быть симметричным, а другого несимметричным, что требует использования не совсем идентичных генераторов. Таких недостатков не имеет трехплечий Т-образный мост
Схема сложения мощностей на основе трехплечего Т-образного моста. L, C 1, C 2 – параллельный колебательный контур на сосредоточенных элементах, Rн – нагрузка, Rбал – балластный резистор. При резонансе у контура будет сопротивление. Rэ. В случае синфазной работы токи в нагрузке I`1 и I`2 складываются в нагрузке, а в балластном резисторе токи I``1 и I``2 вычитаются, так как направлены встречно. При полной симметрии схемы взаимное влияние генераторов друг на друга исключено. Недостаток схемы – узкополосность. Мощности обоих генераторов суммируются на сопротивлении нагрузки Схема нашла применения в диапазоне КВ.
Схемы сложения мощностей на широкополосных трансформаторах этого недостатка лишены. Пример широкополосной мостовой генераторов по напряжению схемы сложения мощностей
Примеры широкополосной мостовой схемы сложения мощностей генераторов по току
Квадратурный мост сложения мощностей Такая схема применяется в диапазоне метровых и более коротких волн. Равные по амплитуде колебания сдвинуты относительно друга на угол 90 градусов. С сдвиг этот создается в фазовращателе ФВ. Четыре четвертьволновых отрезка образуют кольцо. К нагрузке Rн токи подходят синфазно и суммируются, а к балластному резистору Rбал – синфазно и вычитаются. Колебания каждого из генераторов подходят к выходу другого со сдвигом по фазе, в результате - взаимное влияние между генераторами отсутствует.
Область применения – устранение «фидерного эха» между антенной и фидером в случае их неточного согласования. На экране телевизора - это эффект многоконтурности. При этом в нагрузке отраженные сигналы противофазны и вычитаются, а в балластном резисторе – синфазны и суммируются.
1. Какие особенности характерны при n-параллельном соединении электронных приборов? 1. Суммарная мощность каскада из n-электронных приборов равна половине их мощностей 2. Междуэлектродные мощности электронных приборов вычитаются 3. Коэффициент полезного действия остается неизменным 4. Потребляемая мощность не изменяется 5. Выходное сопротивление нагрузочной системы увеличивается пропорционально количеству ЭП 2. Какие особенности имеет двухтактное соединение электронных приборов? 1. Токи первой гармоники складываются во времени, а не по амплитуде 2. Токи четных гармоник плеч противофазны 3. В общем проводе питания присутствует первая и остальные нечетные гармоники 4. Двухтактное включение электронных приборов применимо во всех диапазонах частот 5. Усиление четных гармоник в нагрузке
3. При сложении мощностей однотипных блоков в общем контуре 1. Необходимо обеспечить синфазность напряжений возбуждения выходных каскадов блоков 2. Необходимо обеспечить противофазность напряжений возбуждения выходных каскадов блоков 3. Катушки связи L 2 общего контура с контурами блоков соединены последовательно 4. Такой способ сложения мощностей применим лишь в КВ диапазоне 5. Надежность схемы высока 4. При сложении мощностей в пространстве используется в случае 1. Необходимости уменьшения напряженности электромагнитного поля в заданном направлении 2. Необходимости увеличения напряженности электромагнитного поля в месте передачи 3. Уверенного прохождения радиоволн 4. Больших мощностей передатчиков 5. Использования фазированных антенных решеток
5. При сложении мощностей с помощью мостовых схем: 1. Общая мощность в нагрузке должна уменьшаться только на величину мощности одного генератора 2. Общая мощность, выделяемая в нагрузке всеми генераторами, всегда равна сумме мощностей всех генераторов 3. Авария одного из генераторов не вызывает неисправность в других 4. В плечах моста должны быть только активные элементы 5. Отраженные сигналы в нагрузке не компенсируются 6. В случае использования мостовой схемы как сумматора необходимым условием является: 1. Взаимная независимость входов сумматоров 2. Обеспечение прохождения только узкополосного сигнала 3. Входы и выходы сумматора должны быть взаимно связаны 4. Использование широкополосных трансформаторов 5. Недопустимость разброса параметров электронных приборов
Скачать презентацию Сложение мощностей Требуемая мощность передатчика чаще не
Лекция 13(!)РПДУ Сложение мощностей.ppt