О СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

  В. Костычев, UN8CB  г. Петропавловск. Казахстан.   

Средняя мощность – это выходная мощность передатчика, усилителя, определяемая как среднее значение мощности,  за время превышающее период наименьшей частоты модулирующего сигнала. При оценке же мощности передатчика, усилителя  принято пользоваться пиковой мощностью, поскольку она является тем пределом, превышение которого приводит к значительным нелинейным искажениям, превышающим установленную норму.  Превышение пиковой мощности недопустимо ввиду резкого роста  внеполосного и побочного излучения.

При усилении однотонального синусоидального сигнала (CW, несущая)  средняя мощность  будет равна эффективной мощности синусоидального тока, эта же мощность будет являться и пиковой, если усилитель работает в предельном линейном режиме.

При усилении однополосного (SSB)сигнала (речевого) пиковая мощность  достигается при значительно меньшей средней мощности. В этом случае слово «пиковая» используется  в двух значениях (смыслах). Первое, это слово означает наибольшая, максимальная мощность, пик мощности (мощность, достигшая пика своего значения) при допустимых нелинейных искажениях, но эта мощность не мгновенная, а действующая (эффективная).
Второе, это слово указывает, где развивается эта мощность, а именно только на пике модуляционного сигнала (на пике огибающей), когда достигается  наибольшая амплитуда модулированных колебаний, это мощность только одного колебания, амплитуда которого наибольшая в огибающей сигнала.

Чтобы мощность при работе в режиме SSB,  развиваемая на пиках модуляции, не превышала пиковую, средняя мощность  не клиппированного SSB сигнала  - Рср должна быть меньше пиковой мощности -  Ррер примерно в 8 раз. У импортных аппаратов Рср при клиппировании  меньше Ррер  примерно в 4 – 5 раз.

Проведём небольшую лабораторную работу.

Подключим к выходу микрофонного усилителя трансивера спектроанализатор . При произнесении  перед микрофоном раскатистого «а-а-а» умеренной громкости, получим такую примерно (мой голос)спектрограмму (Рис.1).

                                          Рис.1

На спектрограмме видно, что в этом звуке содержится около 30 основных частот (тонов) и ещё несколько вспомогательных частот (обертонов).

При замене спектроанализатора осциллографом картина – осциллограмма будет другая (Рис.2).

                                                Рис.2

Это результат, получаемый в результате сложения всех частот звука «а-а» на выходе микрофонного усилителя, когда получается одно суммарное колебание с изменяющейся амплитудой, циклически повторяющейся.

Если промодулировать этим сигналом SSB  передатчик, то на осциллографе, подключённом к его выходу, получим такую вот осциллограмму (Рис.3).

                                      Рис.3

На осциллограмме видно, что огибающая выходного SSB сигнала повторяет форму суммарного речевого сигнала на выходе  микрофонного усилителя (звук «а-а-а», Рис.2).

А теперь подадим на микрофонный усилитель сигнал с 2-х тонового генератора и отрегулируем его уровень и усиление возбудителя так, чтобы на осциллографе, подключённого к выходу передатчика (усилителя), получить неискажённую картину биений суммарного 2-х тонового сигнала (Рис.4а)             

                                                              Рис.4

 В результате сложения  двух ВЧ колебаний возникает результирующее (суммарное) колебание с изменяющейся с течением времени, от нуля до какого-то максимального значения, амплитудой, так называемые биения. На  Рис. 4а эти биения сливаются, а на Рис.4 b картинка как бы растянута, и отчётливо видно результирующее колебание с изменяющейся амплитудой.  Интервал времени, через который повторяются  нулевые или максимальное значение амплитуды колебаний называют периодом биений –Тб.  А Тк – это период  самого  суммарного колебания.

Если удалось получить  на осциллографе такую картинку, как на Рис.4а, значит, усилитель работает в предельном линейном режиме с допустимым коэффициентом  нелинейных  искажений.  Теперь по осциллографу измеряем максимальную амплитуду  напряжения  в точке 1,  пересчитываем  это напряжение в действующее, и  вычисляем  мощность. Это и будет  пиковая мощность 2-х тонового сигнала, она же будет и пиковой мощностью усилителя – Ррер. А средняя  же мощность  2-х тонового сигнала будет в два раза меньше его пиковой мощности.

Для определения средней мощности SSB  сигнала надо уже с настроенным усилителем повторить операцию с произнесением звука «а-а-а» перед микрофоном, получив на осциллографе картинку  как на Рис.3. Регулируя усиление микрофона и возбудителя, надо получить максимальную амплитуду огибающей модулированного сигнала такой же, как было  при 2-х тоновом сигнале. Тогда  пиковая мощность этого речевого сигнала будет равна пиковой мощности 2-х тонового сигнала. Для вычисления средней мощности речевого сигнала, нужно произвести дополнительные операции.

Промодулированный звуком «а-а-а» сигнал (Рис.3)  представляет собой одно суммарное колебание всех частот, содержащихся в этом звуке. Упрощённо он может выглядеть примерно как на Рис.5.

                                                         Рис.5

Амплитуда этого суммарного колебания не постоянна, она изменяется  произвольно со временем от какого-то максимального значения амплитуды до почти нулевого значения.  Эти почти нулевые значения и максимальные значения амплитуды циклически повторяются с некоторым периодом Тб, и этим напоминают  биения 2-х тонового сигнала. Поэтому среднюю мощность  SSB  сигнала звука «а-а» можно сравнить со средней мощностью 2-х тонового сигнала.

Чтобы вычислить среднюю мощность 2-х тонового сигнала за период биений - Тб (например, как на рис.4б), нужно вычислить мощность каждого колебания  за его период  - Тк, сложить и разделить  на число полных колебаний за период биений. Допустим для случая рис.4б получилось: за 1-й период – 5 Вт, за 2-й – 15 Вт, за 3-й – 30 Вт, за 4-й – 40 Вт (эффективная мощность этого колебания  - есть пиковая мощность  2-х тонового сигнала), за 5-й – 30 Вт, за 6-й – 15 Вт и за 7-й – 5 Вт. Сложим: 5+15+30+40+30+15+5 = 140. Разделим на число колебаний за период биений  - 7, получим: 140 : 7 = 20 Вт. Т.е. средняя мощность этого 2-х тонового сигнала  - 20 Вт, что меньше  в два раза  его мощности на пике модуляции – 40 Вт,  развиваемой колебанием  с наибольшей амплитудой (выделенного зелёным цветом на рис.4б).

Точно также можно вычислить и среднюю мощность SSB сигнала звука «а-а» по рис.5.

Среднюю мощность этих сигналов можно вычислить и графически по графикам мощности.

Для этого построим графики мощности этих сигналов, Рис.6.

                                                        Рис.6

На рис.6а представлен график мощности  2-хтонового сигнала за период биений –Тб.

Как строится такой график?  Известно, что мощность переменного тока определяется произведением  напряжения на ток. По рис.4 b вычисляем мощность каждого колебания в биениях  для каждого полупериода, как положительного, так и отрицательного. Так как произведение отрицательных величин есть величина положительная, то произведение напряжения и тока в отрицательные полупериоды дадут положительные значения мощностней и все полупериоды мощностей на графике мощности будут находиться в положительной области,  как на рис.6а. Но расстояния между пиками очень малы и практически они сольются в фигуру похожую как на рис.6 b  (зелёная). Средняя мощность 2-х тонового сигналв будет пропорциональна площади этой фигуры, ограниченной полусинусоидой. Задача вычисления площади  подобных фигур решается с помощью интегрирования, мы этого делать не будем, а просто заметим, что это возможно, а будем только сравнивать площади подобных фигур, которым пропорциональны соответствующие мощности , а следовательно сравнивать и мощности.

Аналогично можно построить и график мощнсти за такой же цикл Тб  (Рис. 5) и для SSB смгнала  звука «а-а-а», он изображён на Рис.6 с. Средняя мощность этого сигнала будет также пропорциональна площади  полученной зелёной фигуры, очень заметно, что  её площадь  составляет  примерно   2/3 части площади  - Рис.6 b.

 Т.е. средняя мощность  SSB сигнала при модуляции звуком «а-а-а» без компрессии меньше средней мощности 2-х тонового сигнала примерно на одну треть. И, следовательно, в 3 раза будет меньше  пиковой мощности усилителя, и зависит, кроме того , от индивидуальных свойств голоса оператора, от пикфактора речевого сигнала.

Практически ориентироваться на величину средней мощности отдаваемого SSB сигнала  можно по величине анодного тока усилителя  по стрелочному прибору на передней панели усилителя  (анодный миллиамперметр).

В правильно настроенном  линейном усилителе в режиме «нажатия» (CW, несущая, настройка) отдаваемой пиковой мощности будет  пропорционален определённый анодный ток подводимой пиковой мощности – Iao, который и регистрируется анодным милиамперметром. Однако в режиме 2-х тонового сигнала  его пиковой подводимой мощности будут соответствовать показания стрелочного прибора  в k  раз меньше  Iao, т.к. в этом режиме из-за  инерционности стрелочного механизма  стрелка прибора  не успевает установиться в соответствующее положение.  В реальном режиме В  приближённо  k = 1,5, т.е. показания анодного миллиамперметра  в 2-х тоновом режиме будут  на одну треть меньше  его показаний при усилении немодулированных колебаний ВЧ,   а в режиме длительного «а-а-а» ещё меньше.

 К примеру, если линейный усилитель  в режиме »нажатия»  «выдаёт»  450 мА анодного тока (Iао), то в режиме настройки в режиме SSB, при длительном «а-а-а», нужно установить мощность возбуждения  такой, чтобы анодный ток был несколько  меньше 300 мА. И откорректировать его величину при нормальном  речевом сигнале по отзывам корреспондентов.

  При такой средней мощности SSB сигнала мощность на пиках модуляции не будет превышать пиковую мощность.

  Литература:  

1.А.С.Кингсеп и др. Основы физики. Т 1. Часть III. Стр. 325, 328.

    2.С Бунимович, Л.Яйленко. Техника однополосной любительской радиосвязи 1970.

  В. Костычев, UN8CB  г. Петропавловск. Казахстан.