CC BY
19Электроника СВЧ
УДК 621.385.3
Ю. И. Блинов, К. Ю. Блинов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Компьютерная методика расчета генераторного триода и других генераторных приборов
Рассмотрена компьютерная методика расчета мощных генераторных триодов. Приведены результаты расчета генераторных триодов фирм "Philips" и ABB, которые сравниваются с данными, полученными при использовании предлагаемой методики. Приведенный подход может быть распространен и на другие генераторные лампы -тетроды и пентоды.
Генераторный триод, расчет триодов
В настоящее время повсеместно для расчета режима работы генераторного триода и колебательной системы используется методика, предложенная А. И. Бергом [1]. Аналогичные методики за рубежом используют фирмы АВВ [2] и "Philips" [3]. Основные идеи всех этих методик сводятся к линеаризации характеристик генераторного триода, его описанию с помощью линейных коэффициентов и использованию аналитических выражений для определения режима работы электровакуумного прибора. Применение данных методик позволило создать серийные ламповые генераторы (ЛГ), которые нашли широкое применение не только в радиотехнике, но и в промышленности.
Появление численных математических моделей схем ЛГ, а также экспериментальные исследования позволили заметить, что ошибка в проектировании схем ЛГ составляла 10% (а, обычно, и больше). При этом ЛГ либо выдавал в нагрузку большую мощность, либо возникали сложности при согласовании лампы и нагрузки из-за недостаточной передаваемой мощности. Такие проблемы общеизвестны и вполне объяснимы, поскольку известны исходные предпосылки методики расчета генераторных ламп (ГЛ).
Широкое внедрение компьютеров позволяет снять ряд допущений, которые были вынуждены ввести А. И. Берг и его последователи, и тем самым не только повысить точность расчетов, но и определить ряд особенностей различных ГЛ.
Рассмотрим методику расчета лампы.
Пусть необходимо рассчитать ЛГ на заданные выходную мощность Рн и частоту f при постоянном напряжении анодного питания £a0 . По этим данным предварительно выбирается ГЛ, характеристики которой в дальнейшем будут использованы при расчетах. Для каждой лампы имеется оптимальное значение коэффициента обратной связи (ОС)
© Ю. И. Блинов, К. Ю. Блинов, 2005
67
в = UgjUa (Ug и Ua - действующие значения напряжений на сетке и на аноде лампы соответственно), при котором можно достичь максимального КПД. Методика расчета генераторного триода состоит в следующем.
1. Задается коэффициент использования лампы по анодному напряжению = 1.
2. Предполагается, что на лампу поданы анодное ua и сеточное Ug напряжения:
ua (rot) = Ea0 + Ea0^ sin (rot) ; ug (rot) = Ea0^P sin (rot + 9ag) + Eg0 ,
где , = Ua/ Eao - коэффициент использования лампы по анодному напряжению; го - частота, на которой рассчитывается лампа; 9ag - фазовый угол между напряжениями на аноде и на сетке лампы (на низкой частоте равен 180°); Ego = Eao (1 - - Р^) - постоянная составляющая напряжения на сетке лампы, определяемая из условия Ua mjn = Ug max (Ua mjn и Ug max - минимальное значение напряжения на аноде и максимальное значение напряжения на сетке лампы соответственно).
3. По значениям ua (rot) и Ug (rot) определяются значения анодного ia (rot) и сеточного ig (rot) токов с использованием реальных анодных и сеточных характеристик генераторного триода, введенных в компьютер ранее, а также интерполяционных полиномов для их вычисления.
4. Временные зависимости ua (rot), ug (rot), ia (rot) и ig (rot) в численной форме дают
полную информацию о режиме работы лампы, поскольку по ним можно определить значения мощностей потерь на аноде Pa и на сетке Pg, а также мощность на сопротивлении
гридлика, потребляемую от сети постоянного тока и передаваемую в нагрузку мощности.
Если полученная мощность нагрузки не равна заданной, то значение £ уменьшается (производится переход к п. 2). Если значения Pa и Pg превышают паспортные храктеристи-
ки, производится корректировка значения Ea0 либо выбирается другой генераторный триод.
5. По известным соотношениям рассчитываются элементы колебательного контура. Рассмотренный подход легко распространяется и на расчет генераторов на основе
тетродов и пентодов.
Данная методика в видоизмененном виде позволяет определять оптимальный режим работы ГЛ, при котором она передает в колебательную систему заданную мощность с максимальным КПД.
Введем коэффициент напряженности режима работы лампы Kp = Ua Ug max , позволяющий в количественной форме отразить известные понятия: граничный (£,= 1), не-до- (> 1) и перенапряженный (< 1) режимы работы ГЛ. С его использованием значение Eg0 при расчете оптимальных режимов работы ГЛ на заданную мощность определяется
как Ego = Eao(1 j/Kp . При моделировании изменение значения Kp позволяет
варьировать напряженность режима и тем самым иметь дополнительную информацию о влиянии этого фактора на энергетические показатели режима работы ГЛ.
Разработанная методика реализована в программе TUBE, рассчитывающей режим работы генераторного триода и определяющей область оптимальных режимов работы различных типов ГЛ.
В настоящее время известны три методики расчета ГЛ [1]-[3], каждая их которых имеет свои особенности, связанные с использованием различных исходных данных для расчета. Изложим процедуру оценки правильности расчета ГЛ, основанную на рассмотренной методике расчета. Возможны два варианта оценки:
• первый. Исходные данные: Eao, Ego; амплитуды первых гармоник напряжений
на аноде Uai и на сетке Ugj лампы (или в); частота работы ЛГ f
1. Рассчитываются ua (rot) = Eao + Uaisin (rot) ; Ug (rot) = Ego + Ua^P sin (rot + 9ag ) или Ug ( ro t) = Ego + UgiP sin (rot + 9ag ).
2. По характеристикам лампы с использованием интерполяционных полиномов определяются ia (rot) и ig (rot) . Вычисляются все параметры, характеризующие лампу, а если требуется, то и всего ЛГ;
• второй. Исходные данные: Eao, Uai; сопротивление гриддика Rrp, Ug1 или в,
частота работы ЛГ f.
1. Задается значение Egoi, в начале расчета равное Ego.
2. Рассчитываются ua (rot) = Eao + Ua^ sin (rot); Ug (rot) = Ego\ + UaiP sin (rot + 9ag) или Ug ( rot) = Ego1 + UgjP sin (rot + 9ag ).
3. По характеристикам лампы вычисляются значения ia (rot) и ig (rot) .
4. Определяются значения I go и Ego2 = I go Rrp .
5. Если |Ego1 -Ego^ > s, то принимается Ego\ = Ego2 (происходит переход к п. 2).
6. Вычисляются интегральные параметры, характеризующие лампу.
Различие этих двух вариантов заключается в следующем. При расчете лампы с использованием линеаризованных характеристик (первый вариант) получаются значения Ego и Rjp . Однако поскольку значения Igo и Ego, а значит, и Rrp, рассчитываются с некоторой ошибкой, то и точность расчета по линейной методике может быть оценена двояко. В первом случае предполагается, что верно рассчитано значение Ego и с некоторой
ошибкой - значение Igo, а во втором - верно рассчитано значение Igo и с некоторой ошибкой - значение Ego.
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 3======================================
Базируясь на этой методике оценки, покажем величины ошибки в расчетах генераторных триодов по методикам фирм ABB [2] (табл. 1) и "Philips" [3] (табл. 2). В этих таблицах наряду с результатами расчетов, взятых из указанных литературных источников, приведены поверочные результаты, полученные исходя из тех же допущений (на аноде и на сетке лампы имеются синусоидальные напряжения, фазовый сдвиг = 180°), но с использованием
предложенной в статье методики оценки. Режим триода рассчитывался на компьютере с введенными ранее реальными табличными анодными и сеточными характеристиками при тех же значениях Eao и Uai, а также полученных в этих расчетах значениях ß и Ego.
Методика фирмы "Philips" дает основную погрешность в угле отсечки анодного тока 9 и незначительную погрешность в величине амплитуды анодного тока Ia max для одного
варианта. Максимум сеточного тока для того же варианта определяется с ошибкой в 25%. Ошибка в определении параметров импульса анодного тока приводит к тому, что по методике фирмы "Philips" занижаются колебательная (выходная) мощность лампы и все другие интегральные параметры, характеризующие анодную цепь. Аналогичная ситуация и с сеточной цепью, для которой также занижены значения постоянной составляющей тока сетки Igo и мощности рассеяния на сетке Pg. В результате значение анодного эквивалентного сопротивления R3KB также получено с ошибкой, что в дальнейшем приводит к
Таблица 1
Исходные данные
Тип триода ITL 12-1 (фирма ABB)
Пример Первый Второй
Методика расчета ABB По статье ABB По статье
Постоянное анодное напряжение £а0 , кВ 10.0 11.5
Коэффициент обратной связи в, % 8.7 7.8
Выходная мощность, кВт 20.0
Результаты расчета
Входная мощность, кВт 26 24.8 12.8 25.2
Амплитуда первой гармоники анодного напряжения (7а1, кВ 9.0 10.5
Амплитуда анодного тока 1а тах , А 10.2 10.5 8.7 9.4
Угол отсечки анодного тока 0, 60...70 82.8 60.70 81.9
Амплитуда первой гармоники анодного тока, А - 4.4 - 3.9
Постоянная составляющая анодного тока /а0 , А 2.6 2.5 1.11 2.2
Минимальное анодное напряжение иа т;п, В 1000.0
Мощность рассеяния на аноде Ра , кВт 5.7 5.1 2.7 4.9
Амплитуда сеточного напряжения, В 782.0 819.5 820.0
Постоянное сеточное напряжение, В 582.0 639.5 640.0
Амплитуда тока сетки, А 2.0 1.93 1.7 1.63
Первая гармоника тока сетки, А - 0.379 - 0.298
Постоянная составляющая тока сетки , А 0.24 0.217 0.187 0.167
Мощность рассеяния на сетке Pg , кВт 41.4 37.8 29.2 26.3
Анодное эквивалентное сопротивление Лэкв , Ом 1998.0 2050.0 - 2710.0
КПД, % 77.9 79.5 78.9 80.7
КПД по нагрузке, % - 78.9 - 80.2
Потери в колебательном контуре, кВт - 0.164 - 0.133
Таблица 2
Исходные данные
Пример Первый Второй
Методика расчета "Philips" По статье "Philips" По статье
Постоянное анодное напряжение Еа0 , кВ 10.0
Коэффициент обратной связи в, % 10.5 10.9
Выходная мощность, кВт 75
Результаты расчета
Входная мощность, кВт 100 121 100 117
Выходная мощность, кВт 77 93.5 76 91.2
Амплитуда первой гармоники анодного напряжения иа1, кВ 8.80
Угол отсечки анодного тока 0, .. 70.0 89.1 70.0 88.2
Амплитуда анодного тока !а тах , А 45.0 47.8 - 47.8
Первая гармоника анодного тока, А - 21.2 - 20.6
Постоянная составляющая анодного тока /а0 , А 10.0 12.1 10.0 11.7
Минимальное анодное напряжение иа т;п, В 1200
Мощность рассеяния на аноде Pa , кВт 23.0 27.5 24.0 25.8
Амплитуда сеточного напряжения, В 924.0 - 970.0
Постоянное сеточное напряжение, В 504 550
Амплитуда тока сетки, А 15 20.7 - 20.7
Амплитуда первой гармоники тока сетки, А - 4.75 - 4.72
Постоянная составляющая тока сетки Т^, А 2.3 3.21 2.3 3.15
Мощность рассеяния на сетке Pg , кВт 0.87 1.14 0.73 1.11
Анодное эквивалентное сопротивление Яжв , Ом 492.8 416.0 - 426.0
КПД, % 77.0 77.2 76.0 77.9
КПД по нагрузке, % 74.9 74.0 75.4
Потери в колебательном контуре, кВт - 2.76 - 2.84
трудностям согласования лампы и колебательной системы. Единственный параметр, который совпадает с хорошей точностью, - КПД.
Для второго примера расчета ситуация аналогична. Однако завышение мощности в ЛГ не является критическим, так как в любом случае в нагрузку можно передать требуемую мощность 75 кВт за счет подбора согласования лампы и колебательной системы.
Худшей является ситуация, которая наблюдается в алгоритме фирмы АВВ. Поверочный расчет при тех же допущениях показал, что для первого варианта расчета наблюдается (хотя и незначительное) снижение колебательной мощности. Имеется значительная ошибка в определении угла отсечки анодного тока, а значит, и значительная ошибка в значении Pa. Естественно, что все остальные параметры анодной цепи рассчитаны с ошибкой. Для данного случая мощность в нагрузке не будет равной 20 кВт, что приведет к большим усилиям по согласованию лампы и колебательной системы на реальной установке.
Более неприятная ситуация наблюдается во втором примере, где ошибка в колебательной мощности составила 10 кВт, или 100%. Основные источники ошибки те же: в определении угла отсечки 0 и значения Ia max. Согласовать лампу и колебательную систему
в этом случае не представляется возможным.
Источник ошибок в методике расчета ГЛ, предлагаемой в статье, и в поверочных расчетах только один - неточность задания характеристик лампы, взятых из справочных
источников, особенно в области, где мгновенные значения анодных и сточных напряжений равны. (Впрочем, все зарубежные алгоритмы расчета генераторных триодов предусматривают выполнение соотношения Ua min » Ug max, что приводит к нивелированию
возможного источника ошибок в предлагаемой методике расчета.)
Библиографический список
1. Берг А. И. Теория и расчет ламповых генераторов. Ч. 1. Л.-М.: Госэнергоиздат, 1935. 316 с.
2. Wetzel P., Zehnder O. Industrierohren in Hochfrequenzgeneratoren. Mannheim: Kober (Vertrieb), 1980. 253 s.
3. Dittrich H. F. Tubes for R. F. heating: Philips application book. Amsterdam: Philips, 1977. 212 p.
Yu. I. Blinov, K. Yu Blinov
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Computer technique of the generating triode and other generating devices calculation
The computer technique of calculation of powerful generating triodes is considered. The results of calculation of generating triodes offirms Philips and ABB are given which are compared to the data received at use of an offered technique. The given approach can be distributed and on other generating vacuum-tubes - tetrodes and pentodes.
Generating triode, calculation of triodes Статья поступила в редакцию 28 декабря 2004 г.
УДК 621.396.67
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Генераторы СВЧ на гармониках проводимости диодов Ганна
Проводится сопоставление способов генерации СВЧ-колебаний на гармониках отрицательной СВЧ-проводимости диодов Ганна. Обсуждаются результаты, полученные при исследовании макетов генераторов различного конструктивного исполнения.
Диод Ганна, отрицательная проводимость, генерация на гармониках, генератор СВЧ
Разработка элементной базы для генерации, усиления и преобразования СВЧ-колебаний проводится последовательно с точки зрения освоения частотного диапазона. Обычно, технологические трудности в электронной технике таковы, что осваивается, как правило, нижний участок необходимого диапазона и задерживается освоение верхнего участка. Так происходило с элементами сантиметрового диапазона, аналогичная ситуация наблюдается в миллиметровом диапазоне, нечто подобное ожидается и при освоении диапазона крайне высоких частот (КВЧ).
Практика разработок генераторных и усилительных устройств СВЧ показала, что единственным способом ухода от сложившейся в электронной технике традиционной ситуации является косвенный способ создания источников колебаний СВЧ за счет генера-
72 © Ю. И. Алексеев, 2005
