Un nuevo amplificador de potencia

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1 Un nuevo amplificador de potencia de alfa eficacia para ondas modulada s po r J. Sane hez-cordové s Ingeniero de Telecomunicació n La característica esencial de este nuevo amplificador ideado por W. H. Doherty, es que opera con alto rendimiento para todos los niveles d e modulación, cosa que no ocurre con los amplificadores lineales clase B, corrientemente empleados. Su empleo en emisoras de radiodifusión proporciona una considerable economía de potencia, comparable, con ventaja, con el procedimient o denominado, de modulación por desfasamiento. Se sabe que si un amplificador debe funcionar con alto rendimiento, la máxima amplitud de la tensión alternativa de placa, debe ser muy poco inferior a la tensión de alimentación en corriente continua. En estas con - diciones un incremento en la tensión de excitación no puede producir u n incremento correspondiente en la tensión de placa, y por lo tanto resulta n cortados los picos positivos de la modulación. Es, por consiguiente, necesario, ajustar la excitación, de manera qu e el rendimiento máximo corresponda a los picos de modulación ; pero entonces el rendimiento del amplificador, para la frecuencia, portadora e s reducido. Para evitar este escaso rendimiento del amplificador cuando la modu - lación no tiene la profundidad máxima, es necesario un artificio que per - mita el paso de los picos positivos de modulación, aun cuando la excitación esté regulada para obtener el máximo rendimiento en onda portadora. Hay dos procedimientos para obtener este resultado : 1. Hacer que ;a impedancia de carga del amplificador disminuya

2 :FF~l. (.C,I; ' ;P durante los picos positivos de modulación,.permaneciendo invariable du - rante los negativos. 2. a Suministran durante los picos positivos la potencia suplementaria necesaria de un manantial adicional. El procedimiento Doherty que estamos estudiando es una combinación de los dos indicados. Fundamento del sistem a Supongamos el circuito fundamental de ánodo representado en l a figura 1. La válvula V, suministra la potencia en portadora, en régimen d e alto rendimiento y V2 entra en operación solamente durante los picos po - sitivos de modulación. Ambas válvulas, están excitadas por el mismo paso ante - rior; pero la rejilla de V2 está polarizad a Hg. 1 de manera que su corriente de placa es nula para la excitación correspondiente a onda portadora. 1? es la resistencia de car - ga y X una línea artificial, cuarto de onda. La línea cuarto de onda, tiene la propiedad de que su impedancia de entrada varía inversamente con la impedancia de salida. Pueden escribirse las siguientes relaciones : X 2 Z 1 = y E 2 = E lx Z2 Z2 siendo Z 1 y Z2 las impedancias de entrada y salida, X la impedancia carac - terística y El y E2 las tensiones de entrada y de salida. Se diseña la línea artificial de manera que su impedancia característica sea X = 2 R. Como consecuencia, para la onda portadora, (como V2 no funciona, se verifica E2 = 2-1 y Z 1 impedancia sobre la cual V1 trabaja, resultará igual a 4 R. Cuando se modula, la impedancia terminal a través de la línea artificial permanece igual a R durante los picos negativos y entonces V 1 opera sobre una impedancia constante, variando El linealmente con la tensió n aplicada a la rejilla de V 1. En los picos positivos de modulación V 2 suministra potencia a la carga elevando la impedancia terminal de la línea artificial y, por lo tanto, redu - ciendo la impedancia de entrada sobre la cual opera V 1. La válvula V 1 su-

3 ministra una potencia mayor aunque la amplitud de las variaciones d e tensión de placa permanece constante. En el momento de modulació n 100 lo V 2 suministra la mitad de la potencia total, de manera que la impedancia terminal pasa de R a 2 R y en cambio la impedancia de entrada sobre la cual opera la válvula V 1 desciende de 4i2 a 2R. V I suministra entonces el doble de la potencia en portadora, y V 2 una potencia igual de manera que entre las dos, suministran a la carga una potencia instantáne a igual a cuatro veces la de portadora. Esta potencia es la necesaria para e l pico de modulación, con profundidad 100 /o. La línea artificial cuarto de onda produce un desfasamiento de 90 entre las tensiones E l y E 2 y por lo tanto es necesario (puesto que las do s válvulas utilizan el mismo manantial de radiofrecuencia para su excitación ) introducir en el circuito de rejilla de la válvula V I una línea artificial qu e produzca un desfasamiento de 90 en sentido contrario. La disposición general está representada esquemáticamente en l a figura 2. Al aumentar la radiofrecuencia desde su valor 0, la tensión en B crec e linealmente con la tensión en A hasta alcanzar el nivel de la portadora v, RADIOFRECUENCIA DE ENTRADA A RADIOFRECUENCIA DE SALIDA 4 Hg. 2 después de lo cual permanece constante. La corriente I 1 suministrada po r V, crece linealmente con la excitación. La corriente 1 3 crece también linealmente hasta alcanzar el nivel de portadora. La corriente I2 suministrada por la válvula V 2 es nula hasta que I 1 alcanza el nivel de portadora, aumentando después linealmente con la excitación de manera que en el momento de la modulación 100 lo se verifica I 2 = I 3. Ei resultado total es que la suma de las corrientes I 1 e I 2 ( I 1 + I2 = 1 4) aumenta linealmente con la excitación. La tensión en C es lineal con la excitación, puesto que al nivel de por - tadora E~ = 2B y como al aumentar la excitación sobre el nivel de por - tadora, la impedancia terminal de la línea artificial de ánodo varía lineal - mente de R a 2 R, para 100 lo de modulación Ec crece linealmente con l a excitación hasta uu valor igual a EB para la modulación 100 /o.

4 R / '1 0 ~',' ' l, V:(,( Realización del amplificado r Las dos tormas de línea artificial cuarto de onda empleadas en el amplificador son las representadas en la figura 5. Es conveniente utilizar e l tipo a en el circuito de ánodo. Este tipo produce un destasamiento d e En el circuito de rejilla se usa en cambio el tipo b que produce u n destasamiento de 90. En ambos casos la impedancia de entrada es -1-i- y la relación entr e las tensiones de entrada y de salida, Las ramas en derivación de la línea artificial, se obtienen fácilmente, desintonizando los circuitos antiresonantes de ánodo o rejilla, hasta obte - ner la impedancia necesaria j X ó -- j X. La figura 4 representa los circuitos simplificados de ánodo y rejilla. En el caso de que en el circuito de rejilla se haga X = R, la impedancia terminal de la línea artificial, así como las ten- a siones aplicadas a las dos rejillas, so n iguales. Como la relación entre las tensione s de entrada y salida en la línea artificia l depende de la relación, su impedancia b R terminal debe ser constante para todos los Fig. 3 niveles de la excitación desde cero hasta el nivel de portadora. R debe escogerse de manera que el efecto de la impedancia de rejilla de la válvula resulte despreciable. Como las amplitudes de la variación de la tensión de ánodo de V, permanecen constantes, para niveles superiores al de portadora, la tensió n aplicada sobre la rejilla de V I necesita elevarse sólo lo suficiente para compensar la pérdida debida a que V, opera sobre una impedancia inferio r durante los picos positivos de modulación. La elevación de la excitación necesaria para mantener constantes la s amplitudes de tensión, depende de la impedancia de ánodo de la válvula, y es generalmente del orden del 40 al 50 lo Si Rg es la impedancia efectiva que presenta la rejilla de V, en el pico de modulación, la impedancia terminal de la línea artificial de rejilla, e n los picos de modulación 100 /o, será RR RRy la relación entre las teng.

5 siones de entrada y salida será X(R+Rg) R Rg R+Rg R g Si es necesario un aumento de un 40 / O sobre el nivel de porladora, en la tensión de excitación de V 1 para los picos positivos de modulació n 100 / O. R + Rg 2 Rg 1, 4 y R = 0,43 Rg Este valor de R satisface generalmente las condiciones necesarias Fig. 4 para los picos negativos d2 modulación ; pero si no es así, puede elevars e la tensión de excitación de V 1 a un valor mayor. Sin embargo, como l a corriente de rejilla en nivel de portadora es generalmente pequeña y crec e después muy rápidamente sobre este nivel, el valor de R no es muy crítico. La limitación del crecimiento de la tensión de excitación de V1 significa que el paso excitador no necesita suministrar una potencia tan elevad a como en el caso de un amplificador corriente clase B, lo que supone un a economía en el paso de excitación.

6 El circuito completo del amplificador está dibujado en la figura 5. E l amplificador experimental a que se refieren los valores que damos a continuación contiene dos válvulas V, y V 2 iguales y refrigeradas por circulación de agua. L 5 es la rama serie de la línea artificial cuarto de onda de ánodo, e n la cual las capacidades en derivación se obtienen desintonizando los cit. cuitos antiresonantes de ánodo L 3 C 7 y L 4 C 8. La resistencia de carga R L se acopla al circuito de ánodo de la válvula V 2 por medio de las bobina s L 6 yl 7. La neutralización se efectúa desde el circuito de rejilla de cada válvula por medio de un circuito equilibrado de rejilla. Esto requiere el us o de una línea artificial cuarto de onda en la cual los condensadores C20 y C2 1 constituyen las ramas en serie, siendo obtenidas las ramas en derivació n por desintonía de los circuitos L1 C 3 y L2 C6. Las resistencias R 1 y R 2 constituyen la impedancia terminal de la líne a artificial de rejilla. Estas resistencias tienen un valor de ohmios cada una. Las resistencias R 3 y R4 son resistencias estabilizadoras. Método de ajuste Para ajustar el circuito de ánodo, es necesario calcular las impedancias sobre las cuales las válvulas trabajan, de la manera siguiente : Tensión continua de ánodo voltios Tensión oscilante de ánodo valo r eficaz voltio s Potencia util 5 kilovatios Puesto que V, suministra la potenci a total para la portadora la impedancia de carga será ohmios. Relación de impedancias de la line a = 7 artificial 4, 1 Impedancia a través del circuito d e salida ohmios Reactancia de las ramas en serie de la linea artificial de ánodo j ohmios En la práctica es ventajoso aumentar la impedancia de salida y hace r que la válvula V2 suministre el 10 de la potencia de portadora. Para ell o en el amplificador que estamos estudiando se ajusta la impedancia de salida a 2040 ohmios. El método de ajuste del circuito de ánodo para obtener la impedanci a deseada es el siguiente : De-b

7 En primer lugar la impedancia de las ramas serie L5 se ajusta a un valor j 3600 ohmios, por cálculo o por ajuste de la bobina en un puente. Se establece un cortocircuito entre los puntos A y B y se ccnecta un puente de radiofrecuencia entre C y D. Se ajusta la impedancia a través d e CD a la frecuencia de trabajo de manera que sea una resistencia pura d e ohmios. El ajuste se efectúa variando L4 y ajustando al acoplamiento de l a carga. Se quita entonces el cortocircuito y se conecta el puente entre A Y B. -cv2 Fig. 5 Se sintoniza L5 hasta que la impedancia medida es una resistencia pura. Si este valor no es igual a ohmios, la relación de impedancias no es correcta; L5 debe cambiarse y repetirse todo el proceso. Si la impedancia a través de AB es mayor que ohmios, la inductancia L5 debe disminuirse y viceversa. La justificación del procedimiento se basa en el hecho de que si una línea artificial cuarto de onda, se pone en cortocircuito en un extremo, e l otro. extremo actúa como circuito abierto. Si la impedancia medida a través de CD con AB en cortocircuito, es una resistencia pura, es la impedancia de carga y si se obtiene en cambio una impedancia reactiva, ell o indica que la línea no es una línea artificial cuarto de onda.

8 Si la impedancia medida a través de CD, con AB en cortocircuito, s i es una resistencia pura, indica que la línea artificial está sintonizada a l cuarto de onda. Para ajustar el circuito de rejilla es necesario, ante todo, selecciona r las resistencias terminales para la línea artificial, empleando un valor su - puesto para la impedancia efectiva de rejilla de V1 y entonces es necesari o reajustar los valores de las resistencias después de hacer medidas de potenci a Por ejemplo, supongamos un valor de ohmios para Rg y enton - ces llamando R a la carga a través de la rejilla de la válvula tendremo s R = 0,45 Rg = ohmios. Debe darse a las resistencias R 1 y R 2 un valor de ohmios a cad a una y la reactancia de los condensadores Ceo y C21 debe ser también igual a ohmios. A continuación debe aplicarse la radiofrecuencia de excitación con lo s filamentos apagados. Las rejillas de V 1 y V2 se conectan respectivamente a las placas horizontales y verticales de un oscilógrafo de rayos catódicos, a través de u n filtro de armónicos y una línea de Transmisión. El circuito de rejilla de V2 se sintoniza para la corriente máxima, y en - tonces el circuito de rejilla de V1 se sintoniza hasta obtener un círculo en el oscilógrafo, lo que indica que las tensiones de rejilla están en cuadratura. El ajuste final del circuito de rejilla debe hacerse con potencia en e l circuito de ánodo de las válvulas, después de haberse realizado la neutralización final y de que los circuitos de ánodo estén ajustados. Las polarizaciones de rejilla deben ser: para V1 la normal correspondiente al funcionamiento en amplificador clase B y para V 2 el mismo que para V, más un valor aproximadamente igual a la tensión eficaz de excita - ción en régimen de portadora. Para el amplificador experimental de 5 kilowatios a que nos estamo s refiriendo estos valores de la polarización negativa de rejilla son 500 y 900 voltios. A continuación se aplica a los ánodos una tensión de alimentació n aproximadamente igual a la mitad de la normal y se ajusta la radiofrecuencia de excitación hasta obtener una pequeña corriente de ánodo. Se conectan los circuitos de ánodo de las dos válvulas al oscilógrafo de rayos catódicos. Debe obtenerse una elipse con un eje horizontal y otr o vertical si los ajustes son correctos. Se comprueba que la sintonía de L3 es la propia para que la corriente de ánodo de V I sea mínima. Puede entonces aumentarse la tensión de alimentación de ánodo has -

9 ta un valor normal y ajustarse la excitación hasta obtener la potencia d e salida que se desea. La polarización de V 2 se ajusta hasta absorber entre 6 y 10 de la co - rriente de ánodo de V, reajustándose al mismo tiempo la excitación hast a obtener la radiofrecuencia de salida correcta. Debe calcularse la amplitud del pico de la tensión de ánodo de V, obtenida por el valor de la corriente que circula a través del condensador C7. Este valor debe ser aproximadamente igual a la tensión continua de plac a para que la válvula funcione con alto rendimiento. Se sintoniza de nuevo el circuito de ánodo de V 2, si es necesario, hasta que las tensiones de ánodo vuelvan a estar en cuadratura asegurándose primero de que durante el proceso de la operación las tensiones d e excitación sobre las dos rejillas se han mantenido en cuadratura también. El ajuste por el funcionamiento lineal es como sigue : Se aplica.la modulación con una profundidad de 60 /o y se miden los picos positivos y negativos. Si no son iguales es señal de que la relació n de tensiones aplicada a las dos rejillas no es correcta. Si los picos negativos son mayores que los positivos deben reducirs e ligeramente las capacidades C 20 y C21 y volver a sintonizar los circuito s hasta obtener otra vez la cuadratura en el osci!ógrafo. Si los picos positivos son los mayores, debe operarse en sentido contrario. Se reajusta la excitación para obtener el valor correcto en régimen d e portadora, y de nuevo se comparan los picos positivos y negativos hast a que lleguen a ser iguales. Se comprueban los picos para profundidades de modulación 40 /o y 80 /o. Puede ocurrir que el pico negativo sea mayor para el 40 / o de modulación y en cambio para el 80 / o sea mayor el positivo. Esto significa que V 2 no entra en funcionamiento en la parte del ciclo en que debe entrar. Se aumenta o disminuye la polarización negativa d e rejilla y se reajusta la portadora. Los ajustes referidos proporcionan un funcionamiento lineal no sola - mente del amplificador Doherty, sino de la totalidad del transmisor. Una de las ventajas de este amplificador es que su ajuste correcto equi - libra el funcionamiento no lineal causado por un paso anterior. Un argumento esgrimido contra el amplificador Doherty es que el ajus - te es crítico para un grado reducido de distorsión. Sin embargo, en las condiciones de funcionamiento establecidas en este artículo, puede obtenerse fácilmente una distorsión que no exceda a l 7o i / o Puede aplicarse una contrarreacción acoplando un rectificador al cir - 3

10 cuito de salida y alimentando un punto conveniente del amplificador d e baja frecuencia. Con el transmisor ajustado de manera que sin contrarreacción haya u n contenido de armónicos de un 7 /o para una profundidad de modulació n del 90 lo i la aplicación de un nivel de contrarreacción de 12 decibelios re - duce esta proporción de armónicos a un 2 / O. Los ajustes del equipo pueden variar ampliamente sin aumentar la distorsión, pudiendo alcanzar un valor interior al 1 /o para un ajuste óptimo. El modelo experimental utilizado en el amplificador descrito, empleab a un amplificador de baja frecuencia, no especialmente diseñado para gran - des niveles de contrarreacción. El nivel de ruidos de tondo es en las condiciones referidas 60 decibelios. Núm Afio de la Victoria De 5 Archivo: Tomo 111. Difusión-emisores

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