Усилитель класса д на тетроде

 

Использование: в радиопередатчиках в качестве модулятора. Сущность изобретения: снижение мощности, рассеиваемой на экранирующей сетке тетрода достигается тем, что в устройстве, содержащем формирователь сигнала с широтно-импульсной модуляцией, мощный ключевой усилитель на тетроде и нагрузку, к аноду тетрода через диод подключен выход дополнительного источника постоянного напряжения, который фиксирует остаточное напряжение на аноде тетрода в открытом состоянии, уменьшая таким образом ток экранирующей сетки. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередатчиках в качестве модулятора.

Использование модуляторов класса D позволяет повысить КПД мощных радиопередатчиков, снизить их массогабаритные показатели. При этом в качестве ключевых элементов в большинстве практических схем используются мощные тетроды.

Из известных ключевых модуляторов наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является усилитель класса D, где в качестве ключевого элемента используется тетрод, на управляющую сетку которого подают сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), т. е. прямоугольные импульсы, длительность которых изменяется в соответствии с модулирующим напряжением. Усиленное ШИМ напряжение с анода тетрода через фильтр низкой частоты, восстанавливающий модулирующий сигнал поступает в нагрузку, роль которой играет оконечный каскад радиопередатчика.

Хотя тетроды требуют для возбуждения меньших затрат мощности в цепи управляющей сетки, чем триоды, зато при использовании тетродов возникает необходимость так выбирать режим работы, 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. Сказанное проиллюстрировано на фиг. 1, где приведен вид зависимости тока экранирующей сетки тетрода i_д2 от величины анодного напряжения U_a при фиксированных значениях на управляющей и экранирующей сетках U_д1 и U_д2.

Значительные потери мощности на экранирующей сетке тетрода являются недостатком прототипа, который при использовании того или иного конкретного типа тетродов ограничивает выходную мощность усилителя класса D. Известные меры по ограничению тока экранирующей сетки i_д2 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 в таком режиме средняя мощность потерь в цепи экранирующей сетки близка к максимальной.

Целью изобретения является снижение мощности, рассеиваемой на экранирующей сетке тетрода.

Поставленная цель достигается тем, что в усилителе класса D на тетроде, содержащем формирователь ШИМ сигнала, выход которого подключен к управляющей сетке тетрода, катод тетрода заземлен, экранирующая сетка тетрода соединена с положительной шиной источника экранного напряжения, отрицательная шина которого заземлена, а анод тетрода соединен с анодом первого 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, а их вторые отводы соединены вместе и через дроссель фильтра подключены к аноду тетрода, к аноду тетрода подключен также катод второго диода, анод которого соединен с положительной шиной дополнительного источника напряжения, отрицательная шина которого заземлена.

Введение новых признаков влечет за собой новые свойства усилителя класса D, которые заключаются в том, что напряжение на аноде включенного тетрода не может стать ниже напряжения дополнительного источника, т. к. при этом отпирается второй диод и дополнительный источник напряжения оказывается подключенным к аноду тетрода. Хотя в указанном случае из-за увеличения потерь на аноде тетрода несколько снижается КПД усилителя класса D, зато мощность потерь на экранирующей сетке оказывается ограниченной, т. к. ток экранирующей сетки не может возрасти более величины, определяемой напряжением дополнительного источника U_доп (см. фиг. 1).

Расчеты показывают, что использование изобретения позволяет повысить номинальную выходную мощность радиопередатчика с однотактным модулятором класса D на тетроде ГУ-94 с 150 до 250 кВт при некотором снижении КПД модулятора (с 95 до 85 % ). При этом мощность, рассеиваемая на экранирующей сетке, не будет превосходить допустимый уровень (2,5 кВт), а возрастающая мощность потерь на аноде будет в несколько раз меньше допустимого значения (160 кВт).

Сходное с предлагаемым техническое решение применяется в ключевых усилителях на биполярных транзисторах, где коллекторное напряжение открытого транзистора также фиксируется с помощью диода и дополнительного источника напряжения. Однако в транзисторных устройствах цель использования такого технического решения другая. Оно используется для стабилизации режима насыщения транзистора с целью сокращения задержек переключения транзисторов и уменьшения динамических (коммутационных) потерь в коллекторной цепи. В рассматриваемом случае целью является снижение статических (не связанных с процессами переключения) потерь на экранирующей сетке тетрода.

На фиг. 1 приведен график зависимости тока экранирующей сетки тетрода от величины анодного напряжения; на фиг. 2 - функциональная схема предлагаемого усилителя класса D.

Функциональная схема, изображенная на фиг. 2, включает формирователь ШИМ сигнала 1, тетрод 2, первый диод 3, источник 4 анодного питания, нагрузку 5 усилителя, конденсатор 6 фильтра низкой частоты, дроссель 7 фильтра, второй диод 8, дополнительный источник 9 напряжения и источник 10 экранного напряжения. При этом выход формирователя ШИМ сигнала 1 подключен к управляющей сетке тетрода 2, катод тетрода заземлен, экранирующая сетка тетрода соединена с положительной шиной источника экранного напряжения 10, отрицательная шина которого заземлена, а анод тетрода соединен с анодом первого диода 3, катод которого подключен к положительной шине источника 4 анодного питания, причем отрицательная шина этого источника заземлена. Первые отводы нагрузки усилителя 5 и конденсатора фильтра 6 низкой частоты соединены с положительной шиной источника 4 анодного питания, а их вторые отводы соединены вместе и через дроссель фильтра 7 подключены к аноду тетрода 2, к аноду тетрода 2 подключен также катод второго диода 8, анод которого соединен с положительной шиной дополнительного источника 9 напряжения, отрицательная шина которого заземлена.

Устройство работает следующим образом.

Модулирующий сигнал U_вх поступает на вход формирователя ШИМ сигнала 1, 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 дросселя 7 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 4, питание цепи экранной сетки - от источника 10.

Диод 3 замыкает ток дросселя 7 в моменты времени, когда тетрод 2 заперт. При этом напряжение на аноде тетрода 2 близко к напряжению Е_а источника 4, а диод 8 заперт, т. к. напряжение U_доп дополнительного источника значительно меньше Е_а. Если при отпирании тетрода 2 его анодное напряжение окажется меньше U_доп, отпирается диод 8 и анодное напряжение остается близким к U_доп.

Величину напряжения U_доп следует выбирать исходя из допустимого уровня потерь в цепи экранной сетки при сохранении достаточно высокого КПД усилителя класса D. Расчеты показывают, что хорошие результаты можно получить при выборе U_доп ≈0,1 Е_а. В этом случае удается повысить выходную мощность радиопередатчика с модулятором класса D почти вдвое при снижении КПД модулятора примерно на 10 % .

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется тем, что благодаря ему удается по сравнению с прототипом снизить величину рассеиваемой мощности на экранной сетке тетрода, используемого в качестве ключевого элемента, следовательно, либо увеличить срок службы тетрода, либо существенно повысить выходную мощность радиопередатчиков с модуляторами класса D. (56) Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / Под ред. А. Д. Артыма - М. : Радио и связь, 1987.

Зарубежные радиопередающие устройства / Под ред. Г. А. Зейтленка, А. Е. Рыжкова - М. : Радио и связь, 1989.

Патент США N 4272737, кл. H 03 F 3/217, 1981.

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, экранирующая сетка является входом для подачи экранного напряжения, а анод соединен с анодом рекуперирующего диода, катод которого соединен с шиной анодного питания, при этом анод тетрода через дроссель фильтра нижних частот соединен с первыми выводами нагрузки и конденсатора фильтра нижних частот, вторые выводы которых соединены с шиной анодного питания, отличающийся тем, что, с целью снижения мощности, рассеиваемой на экранирующей сетке тетрода, введены дополнительный диод и источник напряжения, включенный между земляной шиной и анодом дополнительного диода, катод которого подключен к аноду тетрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2