パラフェーズ励起によるトランスカスケード。スキーム、説明

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変圧器は準相励起でカスケード接続されます。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事では、変圧器ランプカスケードの回路のオリジナルバージョンを紹介します。 XNUMX つのシングルサイクルカスケードとパラフェーズ励起を組み合わせると、プッシュプルカスケードと同様に興味深い修飾を得ることができます。それらの長所と短所を説明し、計算式とパラメータ調査の結果を示します。

この記事で考察する真空管アンプの出力段のバリエーションは、その系譜を通常のシングルサイクル出力段までたどります [1,2、XNUMX]。結果として得られる結果は明らかな妥協ですが、説明したスキームの各オプションにはいくつかの利点があり、それらがどれほど価値があるかは自分で判断してください。

並列電源の変圧器ステージ

当初、図に示す回路に従ってアンプの出力段を使用しました。 1、その欠点にもかかわらず、強制的に。実際、その主な利点は、出力トランスの永久磁化がないことです。これにより、巻線のインダクタンスを増やしたり、(または) トランスの寄生パラメータを削減したりして、カスケードのパラメータを改善できます。

並列負荷を伴うこのようなカスケードでは、磁気回路の磁化反転が対称ループで発生します。これは偶数高調波が現れず、誘導の許容範囲が広がるため「良い」です。「悪い」のは、誘導がゼロを通過するとき、磁化曲線は本質的に非線形になるためです。

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変圧器が対称再磁化ループで動作する場合、カスケードをプッシュプルカスケードに変換することを妨げるものは何もなく、すでに利用可能なものに利点と欠点が追加されます。当然のことながら、「なぜこれを行うのですか?」という当然の質問をすることができます。答えてみます。

真空管UMZCHを開発する際には、まず一般的なフィードバックを使用せずに不要な非線形性を抑制できる方法により、歪みのない最も線形な増幅を達成しようとします。プッシュプルカスケードでは、構造の対称性を利用し、フィードバックを導入せずにパラメトリック手法を使用して強力なカスケードの線形性を高めることができます。 [4] で議論されている、ランプの種類とモードを選択することによってシングルサイクルカスケードの偶数高調波を抑制する方法は、プッシュプル構造に比べて汎用性が低くなります。その結果、出力信号スペクトルでは奇数高調波が支配的になりますが、そのレベルは抑制された偶数高調波よりも一桁低いため、他の方法で対処するのがはるかに簡単です。

シングルサイクルカスケードは基本的に非対称です。この結果、パルス状の信号のフロントの立ち上がりと立ち下がりのレートが根本的に異なります。また、位相歪みのレベルも増加します。プッシュプルカスケードでは、この欠点はそれほど顕著ではありません。

元のカスケード回路（図1による）からのプッシュプルカスケード回路は、並列電源を使用して2つのシングルサイクルカスケードの出力間の負荷をオンにし、それに応じてこれらのカスケードをパラフェーズ信号で励起することによって取得できます（図3）。バイアス電圧が低いランプの場合、図に示す回路が適しています。この場合、別個のバイアス源は必要ないからである。実際、この回路は従来の差動カスケードに似ています。これらのカスケードの通常の動作はクラス A でのみ可能です。

ランプが同一の場合、二相信号に対するそのようなステージのゲインは

ここで、(μ はランプゲイン、R はランプの内部抵抗、RH は負荷抵抗、出力抵抗

特定の条件下では絶縁コンデンサ Cp が存在しない場合がありますが、ランプの陽極で等しい電圧を維持しない場合は、これを使用する必要があります。さらに、このコンデンサの存在により、カスケード内の各ランプの動作モードを独立して広い範囲で変更することができます。特性が大きく異なるランプであっても、偶数高調波を任意のレベルでカスケード動作モードに設定することが可能になります。

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この変更の結果、ランプと変圧器の偶数高調波が補償されるだけでなく、出力電力が XNUMX 倍になります。信号の歪みのスペクトルを調整することが可能になります。変圧器の寸法を小さくしたり、同じ寸法でパラメータを改善したりすることは可能です。トランスの磁化がないため、その設計は簡素化されます。

ただし、この場合、理論上でも効率は 25% を超えませんが、より高い電源電圧が必要になります。信号電流が XNUMX つのランプを流れるため、変更された段の出力インピーダンスは XNUMX 倍になり、奇数高調波のレベルが高くなります。

もちろん、最も不快な欠点は奇数高調波です。これを抑制するには、出力段にローカルフィードバックを導入することをお勧めします。図に示すように、ここでは陰極フィードバックを使用するのが最も最適です。 4.

実際の例にフィードバックを導入すると何が起こるかを見てみましょう. フィードバック理論 [3] によれば、歪みの高調波成分のレベル Un の減少はフィードバックの深さ A に比例します。

ここで、Un os は、OOS を備えた増幅器の n 次高調波成分のレベルです。

中周波数の領域では、複素量ではなくそのモジュールを考慮することは十分に許容されます。これは引き続き実行します。

ランプのカソード回路の FOS は直列電圧フィードバックです。この場合、フィードバックによってカバーされるアンプのゲイン KOS は次のようになります。

ここで、K はフィードバックなしのアンプのゲインです。 β はフィードバックループのゲインです。式 (4) の分母は、必要な値 A に対応します。

この段階では、最大ゲインと最小レベルの 6 次高調波を備えたランプを使用することが望ましいです。ビーム四極管 1P3P を選択したら、目的のゲイン Kos = 4 を設定します (実際のアンプにおけるこの値は、通常、フロントエンドの位相反転段の能力によって決まります)。 Kos の値を式 (XNUMX) に代入して、フィードバックの深さ A を計算します。

ここで、式(3)に従って、偶数高調波が完全に補償されていると仮定して、高調波成分のレベルを再計算します(表1を参照)。

パラフェーズ励起のトランスステージ

実験には、図5のスキームに従って組み立てられた出力段が使用されました。図５の回路構成（図３の回路構成に相当）。

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図上。図６はその出力信号のスペクトルを示す。歪み測定の実験結果は、計算値と6～20％（劣化の方向に）異なります。これは、偶数高調波の補償が不完全であること、つまり事前に選択されていないランプが使用されたことによっても説明されます。

新しいバージョンのアンプの直線性は大幅に向上しています。陰極フィードバックを備えたカスケードは特に魅力的です [5, 6]; この場合、そのすべてのパラメーターが改善されます。

パラフェーズ励起のトランスステージ

このようなカスケードの実際の使用における主な制限は、効率が低いことです。一般的なランプでは、最大 2 ... 3 ワットの出力電力を得ることができます。このようなカスケード方式の使用は、まず第一に、古い無線機器のシングルサイクルカスケードで使用されている既製の出力変圧器がある場合に推奨されます（変圧器のギャップを排除する必要があります）。また、特にトランスが専用に作られた場合、高品質の電話アンプの出力段にも適しています。図上。図 7 は、このようなアンプの出力信号のスペクトルを示しています。最大電力 0,6 W において、経路全体の高調波係数の合計は 0,06% を超えません。

提案されたアプローチは、ランプのアノードの電流源を 8 つの磁気的に結合された巻線を備えたチョークに置き換えることによって、並列電源カスケードの他のバージョンに適用できます。 50 番目の巻線アセンブリの導入の結果、スロットル負荷 (図 XNUMX) とすでに XNUMX% に達している効率を備えた対称カスケードが得られます。

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電流源またはチョークをランプのカソード回路に転送すると、対称的なカソードフォロワが得られます (図 9)。回路の後者のバージョンは、トランス出力を備えたプリアンプの出力段や電話アンプでの使用に実用的です。

図に示すスキームによるカスケードでは、図 4 に示すように、Rk 抵抗を排除し、固定バイアスを適用することで、五極管と四極管をうまく使用できます。

分割負荷出力段

対称構造の有用な修正を模索する場合、シングルサイクルとプッシュプルカスケードの利点を欠点なしで組み合わせることが望まれていました。つまり、整合トランスの磁気コアが動作するときに偶数高調波のパラメトリック補償を行う必要がありました。プライベート再磁化ループ。

これに関連して、10つの出力トランスを備えた分割負荷を備えた最終段の新しいバージョンを読者に提供します（図11、XNUMX）。私の意見では、XNUMX つの変圧器の使用は、非常に優れた特性と高い柔軟性を得るのに妥当な価格です。

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プッシュプルカスケードの構造は、XNUMX つのシングルサイクルカスケードの出力トランスの XNUMX 次巻線とこれらのカスケードの励起をパラフェーズ信号で組み合わせることによって得られます。その結果、カスケードのパラフェーズ動作により、偶数高調波歪みが抑制されます (当然、アームの実際の非対称係数を考慮して)。あらゆる種類の位相反転ステージから駆動でき、あらゆるランプを使用でき、さまざまな種類のローカルフィードバックを独立および交差的に各アームに導入できます。アンプの通常動作はクラスAのみ可能です。

これら XNUMX つのスキームからわかるように、カスケードの実装には XNUMX つのオプションがあり、特性が大きく異なります。両方のバージョンの直流の場合、ランプが並列に接続されている場合、交流の場合、ランプのスイッチオンは、出力トランスの二次巻線がどのように接続されているか、および負荷がどのようにそれらに接続されているかによって異なります。

アンプには XNUMX つの出力トランスがあり、それらの磁気コアはプライベート反転ループで動作します。洗練された読者はこう言うでしょう - これは欠点です。はい、コスト、構造の寸法、複雑さを削減するという観点からは、これは真実ですが、品質の問題が最優先である場合、これは利点です。

第 XNUMX に、変圧器内の誘導のゼロを通過する遷移、およびそれに応じて、低信号レベルでの変圧器の特性の非線形性が除去されます。第二に、出力信号の偶数高調波のレベルを調整し、幅広い特性を持つランプを使用できるように、カスケードのアームの静止電流を意図的に異なるように設定できます。

通常のプッシュプルカスケードとの違いは、偶数高調波が補償されているところです。古典的なプッシュプルアンプでは、出力トランスの磁場で補償が行われます。そしてそのような組み合わせたカスケードでは、負荷抵抗に直接影響します。基本的な設計関係を取得し、カスケードの特性をより深く理解するために、ランプと変圧器が同じであると仮定して、それらを等価回路の形式で示します。これを行うには、ランプを、出力抵抗 Ri を備えた等価 EMF E 源、または抵抗 Ri で分路された等価電流源 I として想像してみましょう。

ここで、μはランプゲインです。 S はランプの急勾配です。 Uc - ランプの制御グリッドの電圧。 Ri はランプの出力インピーダンスです。

図に示すカスケード。図１０は、図１０の等価回路に対応する。 10aのカスケードと図12aのカスケード。１１〜１３、ａ．さらに簡略化すると、図 11 および図 13 に示す回路が得られます。それぞれ12,6、13,6、13。

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図に示すスキームでは。図１０では、ランプは交流で直列に接続されている。これをカスケード直列と呼ぶことにする（二次巻線を通る共通の電流を伴う）。図の図では、 10 個のランプと交流が負荷に並列に接続されています。これをカスケード並列 (二次巻線に共通の電圧がある) と呼びます。得られた等価回路から、主要な計算関係 [11] を得るのは非常に簡単です。これを表にまとめます。 7.

パラフェーズ励起のトランスステージ

カスケードタイプの選択は、使用するランプに大きく依存します。出力インピーダンスが比較的大きく、μが高い出力管の場合は、並列段を使用することをお勧めします。高出力三極管の場合は、直列段を使用するのが適切な場合があります。この場合、μe は XNUMX 倍になるため、出力管の駆動が容易になります。対称の共有負荷ステージでは、シングルエンドステージ用に設計された標準の出力トランスを問題なく使用できます。

共有負荷カスケードでのフィードバック

図に示すシリアルステージを少し変更したものです。 14 では、一般的なパラメータを改善できます。ランプの陰極回路における出力巻線と負荷の移動により、多くの利点が得られます。

出力巻線が一次巻線と直列にさらにスイッチオンされるため、合計の磁化インダクタンスが増加します。出力トランスは単巻トランスとなり、一般にサイズが小さくなります。このカスケードでは、追加の巻線なしで標準の変圧器を使用できます。

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さらに、カスケードのカソード回路に局所フィードバックが発生し、それに応じてカスケードのパラメータが変化します。もちろん、標準的なトランスを使用すると、このフィードバックの深さを任意に調整することはできませんが、それは「無料」です。ここでは、二次巻線に多数のタップを備えた変圧器を使用することが約束されており、ランプの陰極は最も高抵抗の負荷用の端子に接続され、実際の負荷はその抵抗に応じて、同名の中間タップ。

この方式によるカスケードでは、負荷にかかる電圧の一定成分は実際には非常に小さくなります。これは、出力巻線のアクティブ抵抗が低い (数オーム以下) ことと、ランプの静止電流の実際の違いによるものです。実際には、この電圧は 5 ... 15 mV を超えません。

この負荷スイッチングのもう XNUMX つの副産物は差動出力ですが、カスケードの直列バージョンでもこの機能が提供されます。

上で述べたように、任意のタイプのランプとさまざまなタイプのローカルフィードバックを、負荷を共有してカスケードで使用できます。例として、図に示します。図１５は、カソードフィードバックを備えた五極管を含むことを示している。 15 および 16 - 五極管の超線形内包物 (ビーム四極管) の変形 [17、8]。シールドされたランプを備えたカスケード内のローカルフィードバックのおかげで、ランプと変圧器の直線性が大幅に改善されます。

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理論的仮定は、図に示すスキームに従って組み立てられた 10 つのモデルでテストされました。 11P14P ランプの基本的なシングルサイクルカスケードは、図 6、1、および 1 に示す回路に対応します。 3; すべての場合において、同じランプと出力トランスが使用されました。負荷インピーダンスとランプモードは、所定の電力での高調波の最小レベルを取得することに基づいて選択されました。数値測定結果を表に示す。 18と出力信号のスペクトルを図に示します。それぞれ21〜XNUMX。

パラフェーズ励起のトランスステージ

結果からわかるように、ランダムに選択されたランプと変圧器を使用した場合でも、偶数高調波のレベルが大幅に減少し、カスケードの直線性が向上します。共有負荷トランス段の出力信号スペクトルは、従来のプッシュプル段の出力信号スペクトルと似ています。予想どおり、最良の結果は、歪みの奇数次高調波を効果的に低減するローカルフィードバックでカバーされるステージによって得られます。

パラフェーズ励起のトランスステージ

文学

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著者: E. Karpov、オデッサ、ウクライナ

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