Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

10-2. 

ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ (УСИЛИТЕЛИ)

Из рассмотрения общего принципа работы ламповых генераторов следует, что в отличие от усилителей, рассмотренных в гл. 9, лампа в них используется как существенно нелинейный элемент: часть периода анодный ток лампы изменяется пропорционально напряжению на управляющей сетке, а часть периода анодный ток отсутствует, хотя напряжение на сетке изменяется. В результате этого токи в анодной и сеточной цепях получаются несинусоидальными, и используются только их отдельные составляющие. Может показаться, что это нерационально, но на самом деле именно нелинейность генераторов позволяет в принципе получить к.п.д. сколько угодно близким к единице.

Разобранный выше механизм преобразования энергии в генераторе позволяет сделать вывод, что оно происходит тем эффективнее, чем сильнее тормозятся электроны, пролетающие в лампе. Поэтому для повышения эффективности генератора нужно, чтобы возможно большее число электронов пролетало в максимальном тормозящем поле контура. Из рис. 10-3 следует, что для этого нужно работать с предельно узкими импульсами анодного тока.

Форму импульсов характеризуют их высота Iam и угол отсечки , под которым подразумевают выраженную в угловой мере половину той доли периода, в течение которой существует анодный ток. В случае, изображенном на рис. 10-3, анодный ток существует в течение половины периода, следовательно, угол отсечки равен 90°. Данный вид работы называют режимом В. Работу с углами отсечки < 90° называют режимом С.

Из сказанного не следует делать вывода, что работа генератора в линейном режиме невозможна. Если уменьшением смещения поставить генератор в режим, при котором анодный ток не спадает до нуля (рис. 10-7), то угол отсечки = 180°. При этом говорят, что генератор работает в режиме А. Полезный энергетический эффект в нем достигается, несмотря на непрерывное протекание тока за счет того, что в благоприятной фазе пролетает больше электронов, чем в неблагоприятной. Однако очевидно, что в этом случае эффективность преобразования энергии будет весьма низкой. Поэтому такой режим используется только тогда, когда важно воспроизвести в анодной цепи возможно точнее закон изменения напряжения возбуждающего источника. С подобным требованием чаще всего приходится встречаться в усилителях низкой частоты.

Рис. 10-7. Режимы А, В и С.

Рассмотрим основные энергетические соотношения в ламповом генераторе. На основании выводов § 2-4 об энергетическом взаимодействии источников напряжения с токами различных частот можно заключить, что мощность, потребляемая генератором от источника анодного напряжения,

(10-7)

Мощность генерируемых колебаний, выделяющаяся в анодном контуре,

(10-8)

Не заторможенные полностью полем контура электроны ударяются об анод лампы, затрачивая при этом остаток своей кинетической энергии на нагревание анода. Согласно закону сохранения энергии тепловая мощность, рассеиваемая на аноде,

(10-9)

Важнейшей характеристикой всякого генератора как преобразователя энергии является электронный коэффициент полезного действия (к.п.д.), под которым подразумевают отношение генерируемой мощности к потребляемой:

(10-10)

Мощность источника возбуждения согласно выражению (10-6) и выводам § 2-4

(10-11)

Коэффициент усиления по мощности в соответствии с уравнениями (10-8) и (10-11)

(10-12)

Из формул (10-7) - (10-12) следует, что энергетические соотношения в ламповом генераторе определяются гармоническими составляющими токов лампы; последние же зависят от формы импульсов. У используемых в генераторах усеченных синусоидальных импульсов составляющие являются функциями углов отсечки.

Рис. 10-8. Зависимости коэффициентов разложения синусоидальных импульсов от угла нижней отсечки.

На рис. 10-8 приведены графики, характеризующие зависимости относительных амплитуд трех первых гармонических составляющих, называемых коэффициентами разложения импульсов:

 

от угла отсечки. Эти графики показывают, что для каждой гармоники существуют оптимальные углы отсечек, при которых содержание гармоник в импульсах достигает максимального значения. Оптимальные углы отсечки можно найти из простого соотношения

(10-13)

Постоянная составляющая анодного тока монотонно возрастает с увеличением угла отсечки. Максимальные значения коэффициентов разложения убывают приблизительно обратно пропорционально номеру гармоники.

Настраивая контур на частоту одной из высших гармоник, можно получить в нем колебания, частота которых будет в целое число раз превосходить частоту колебаний возбуждающего источника. Такой генератор называют умножителем частоты.

В принятых обозначениях выражение (10-10) можно переписать в виде

(10-14)

На рис. 10-8 приведен также график зависимости от угла отсечки, из которого видно, что это отношение, равное единице в режиме A (), возрастает с уменьшением отсечки до двух. Если принять напряжение на контуре в режиме А равным напряжению источника (это предельный случай для режима А, так как при Uк > Ea напряжение на аноде лампы в некоторую часть периода становится отрицательным и анодный ток прекращается), то согласно выражению (10-14) можно получить максимальное теоретическое значение для к.п.д. генератора . При том же напряжении уменьшение отсечки до 90° (режим В) приводит к увеличению к.п.д. до 79%. Дальнейшее уменьшение отсечки (переход в режим С) приводит к монотонному увеличению к.п.д., стремящемуся к единице при .

Из выражения (10-14) следует, что к.п.д. генератора тем больше, чем больше отношение , называемое коэффициентом использования анодного напряжения. Возникает вопрос о том, какие же значения достижимы и целесообразны на практике. Ответ на этот вопрос помогут дать графические построения динамических характеристик лампы и импульсов анодного тока.

Ранее было установлено, что при изменении напряжения на сетке лампы по закону

(10-15)

одновременно в отличие от статического режима изменяется напряжение на аноде генераторной лампы по закону

(10-16)

Задавшись некоторым значением амплитуды напряжения на контуре (или коэффициента использования анодного напряжения), можно из уравнений (10-15) и (10-16) для любого момента времени вычислить мгновенные напряжения на сетке и аноде и найти на семействе статических характеристик соответствующие значения токов анода и сетки для данного момента. Проделав подобные вычисления для различных моментов времени, соединяют отдельные точки плавной кривой; полученная линия и будет динамической характеристикой генератора при данном значении напряжения на контуре Uк (рис. 10-9, а). Одновременно строятся и импульсы токов (рис. 10-9, б).

Рис. 10-9. Динамические характеристики и формы импульсов анодного тока при различных напряжениях на контуре.

Изображенные на рис. 10-9 построения проведены при смещении на сетке для работы генератора в режиме В. При коротком замыкании в анодной цепи Uк = 0 и в любой момент времени (при любом напряжении на сетке) ea = Ea, поэтому динамическая характеристика представляет собой вертикальную прямую 1, верхний конец которой оканчивается на статической характеристике, соответствующей максимальному мгновенному напряжению на сетке:

(10-17)

Нетрудно понять, что динамическая характеристика 2, снятая при нагрузке, отличной от нуля, когда Uк = Uк2 > 0, пойдет наклонно потому, что при тех же напряжениях на сетке мгновенные напряжения на аноде согласно выражению (10-16) будут меньше, чем при коротком замыкании, а следовательно, и анодный ток будет меньше. Чем больше амплитуда напряжения на контуре, тем меньше напряжение на аноде и тем больше наклонена динамическая характеристика. Благодаря малому наклону горизонтальной части статических характеристик это не приводит к существенному уменьшению импульсов, пока верхний конец динамической характеристики 3 не попадет на линию спада анодного тока. Соответствующий этому случаю режим называют граничным.

Дальнейшее увеличение напряжения на контуре приводит к тому, что верхний конец динамической характеристики 4 спускается по линии спада анодного тока; импульс уменьшается, и в вершине его появляется провал. Последнее объясняется резким ростом сеточного тока за счет анодного при малых напряжениях на аноде. Подобный режим принято называть перенапряженным в отличие от режима работы с малыми напряжениями на контуре (Uк < Uк.гр), малыми сеточными токами и остроконечными импульсами анодного тока, называемого недонапряженным.

Полученные в результате этих построений импульсы анодного тока позволяют найти зависимости гармонических составляющих от напряжения на контуре. Все составляющие анодного тока пропорциональны высоте импульсов, поэтому увеличение напряжения на контуре от нуля до Uк.гр (0,8-0,9)Ea приводит к небольшому уменьшению постоянной составляющей и первой гармоники анодного тока (рис. 10-10). Дальнейшее же увеличение напряжения на контуре приводит к их резкому падению вследствие уменьшения импульсов анодного тока и дополнительно из-за уменьшения содержания этих составляющих в импульсах со впадиной.

Рис. 10-10. Зависимость первой гармоники и постоянной составляющей анодного тока от амплитуды напряжения на контуре.

График на рис. 10-10 представляет зависимость первой гармоники анодного тока от напряжения на контуре, т.е. Ia1 = f(Uк). Но имеется и обратная зависимость: напряжение на контуре генератора пропорционально первой гармонике анодного тока, т.е.

(10-18)

Следовательно, в генераторе установятся ток и напряжение, удовлетворяющие одновременно этим двум зависимостям. Найти их можно по точкам пересечения графиков на рис. 10-10 и графиков, выражающих соотношение (10-18), как показано на рис. 10-11. Вторая зависимость здесь имеет вид:

(10-19)

и представляет собой прямые, угол наклона которых уменьшается с увеличением Rэ.

Рис. 10-11. Определение напряжения и тока при данном сопротивлении нагрузки.

Придавая различные значения, по точкам пересечения получаем зависимости тока и напряжения от сопротивления нагрузки, которые называются нагрузочными характеристиками генератора. Из рис. 10-11 видно, что увеличение нагрузки от нуля до значения Rэ = Rэ.гр, при котором генератор достигает граничного режима, приводит к почти пропорциональному возрастанию напряжения на контуре и незначительному уменьшению анодного тока. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к переходу генератора в перенапряженный режим - резкому падению анодного тока при небольшом увеличении напряжения па контуре (рис. 10-12). Генерируемая мощность, равная произведению этих двух величин, в недонапряженном режиме возрастает вследствие роста напряжения, а в перенапряженном режиме падает из-за резкого уменьшения анодного тока. Следовательно, можно заключить, что генерируемая мощность достигает максимума в граничном режиме. Потребляемая мощность с увеличением сопротивления нагрузки монотонно падает в соответствии с изменением постоянной составляющей анодного тока. Интересно отметить, что последнее свойственно только генераторам при нелинейном режиме их работы; в режиме A постоянная составляющей анодного тока не зависит от нагрузки.

Рис. 10-12. Нагрузочные характеристики лампового генератора.

На основании полученных зависимостей можно найти закон изменения к.п.д. генератора. До граничного режима он возрастает, поскольку генерируемая мощность растет, а потребляемая уменьшается. В области перенапряженного режима благодаря тому, что и тарируемая, и потребляемая мощности уменьшаются одновременно, к.п.д. остается почти неизменным. Мощность, рассеиваемая на аноде, равная разности между потребляемой и генерируемой мощностью, как непосредственно видно из рис. 10-12, с ростом сопротивления загрузки монотонно уменьшается. Проведенное рассмотрение показывает, что для получения максимальной мощности при высоком к.п.д. следует использовать генератор в граничном режиме, когда Uк = (0,8-0,9)Ea.

Рассмотрим теперь, как изменяется режим сеточной цепи с изменением нагрузки. С увеличением сопротивления нагрузки напряжение на ней растет, а минимальное напряжение, которое действует на аноде в момент, когда на сетке максимальное напряжение (рис. 10-13), уменьшается. Поэтому происходит перераспределение электронного потока лампы в пользу сетки; ее ток растет сравнительно слабо в области недонапряженного и весьма резко в области перенапряженного режима. Одновременно растет и мощность возбуждения.

Рис. 10-13. Зависимость формы импульсов сеточного тока от амплитуды напряжения на контуре.

Если рассмотреть схему сеточной цепи генератора (рис. 10-14, а), то легко видеть, что постоянная составляющая сеточного тока Ic0 подзаряжает источник смещения Ec, на что тратится мощность

(10-20)

Поскольку сеточный ток создается благодаря действию источника возбуждения, то и подзарядка источника смещения осуществляется за счет мощности Рв, затрачиваемой возбудителем. Остаток этой мощности рассеивается в виде тепла на сетке

(10-21)

Из проведенного рассмотрения вытекает, что при малом сопротивлении нагрузки (в недонапряженном режиме) следует опасаться перегрева анода, а при большом сопротивлении нагрузки (в области перенапряженного режима) - перегрева сетки лампы. В триодах эта опасность грозит управляющей, а в тетродах и пентодах экранирующей сеткам, на которые подается значительный положительный потенциал.

Рис. 10-14. Методы создания отрицательного напряжения смещения на управляющей сетке лампы генератора:
а - включение источника смещения;
б - сеточное смещение;
в - катодное смещение.

Все сказанное выше относится к генераторам, у которых смещение создается специальным источником и не меняется с изменением режима. Однако такой метод создания смещения используется в общем довольно редко. И в самом деле, зачем ставить источник напряжения, если его энергия не используется? Поэтому часто его заменяют ячейкой из параллельно соединенных сопротивления Rc и конденсатора Cc (рис. 10-14, б). Постоянная составляющая сеточного тока Ic0, проходя через сопротивление Rc, создает на нем падение напряжения

(10-22)

которое и действует как отрицательное напряжение на сетке относительно катода.

Переменные составляющие сеточного тока, проходя через конденсатор Cc достаточно большой емкости, не создают заметного падения напряжения на нем, и можно считать, что напряжение на ячейке практически постоянно. Такую элементарную ячейку называют цепочкой автоматического смещения. Необходимо отметить, что она обладает рядом интересных особенностей, влияющих на работу генератора. При изменении режима работы последнего изменяется сеточный ток, поэтому и смещение не остается неизменным. В то же время независимый источник смещения, обладающий малым внутренним сопротивлением, поддерживает смещение постоянным независимо от режима генератора.

В ряде случаев использование цепочки автоматического смещения полезно. Так, например, если из-за изменения питающих напряжений режим генератора станет более напряженным, то ток сетки возрастет, смещение увеличится и напряженность режима несколько уменьшится. Иными словами цепочка будет стабилизировать напряженность режима. Однако иногда ее действие может привести и к нежелательным эффектам. Например, если анодный контур расстроится, то напряжение на нем уменьшится, а остаточное напряжение на аноде ea.мин=Ea-Uк возрастет, в результате чего анодный ток увеличится, а сеточный ток упадет, что в свою очередь приведет к уменьшению смещения и дополнительному росту анодного тока и это может привести к перегреву анода.

Для устранения подобных неприятностей часто используют цепочку катодного смещения (рис.10-14,а). По своему принципу действия она аналогична цепочке сеточного автоматического смещения, но смещение здесь создается за счет постоянной составляющей катодного тока. Поскольку последний представляет собой суммарный ток всех электродов лампы, то величина его не зависит от напряженности режима.

Часто используются комбинированные схемы, в которых смещение создается одновременно за счет сеточного и катодного токов. Такие комбинированные схемы позволяют получить большую устойчивость режима.

На работу генератора оказывает влияние также способ питания других электродов его лампы. В рассмотренных выше схемах питание анода ламп осуществлялось через контур генератора, что опасно, если оператор в процессе эксплуатации должен перестраивать контур. Такая схема питания анода получила название последовательной. Для обеспечения безопасности оператора в генераторах с напряжениями свыше 250 В обычно используют параллельную схему питания анода (рис. 10-15). В ней контур отделен от анода разделительным конденсатором Cр достаточно большой емкости, представляющим практически короткое замыкание для токов высокой частоты. Источник же анодного напряжения включен через разделительную катушку Lр (дроссель), предотвращающую замыкание токов высокой частоты через цепь питания. Сопротивление дросселя Lр для первой гармоники анодного тока должно примерно в десять раз превышать величину эквивалентного сопротивления контура. Поскольку же последнее измеряется тысячами ом, то дроссель должен иметь довольно большое число витков.

Рис. 10-15. Схемы питания электродов генераторных ламп.

Защитная сетка пентодов соединяется по постоянному току с катодом или же на нее подается небольшое положительное напряжение (обычно с потенциометра в общей цепи питания). На экранирующую сетку лампы подается значительное положительное напряжение, соизмеримое с анодным, поэтому чаще всего ее питают от анодного источника через поглотительное сопротивление RП. Постоянная составляющая тока экранирующей сетки Iэ0 создает на поглотительном сопротивлении падение напряжения UП = Iэ0·RП, поэтому на экранирующую сетку подается напряжение

(10-23)

При таком способе питания изменение напряженности режима так же, как и при сеточном автоматическом смещении, приводит к изменениям напряжения на экранирующей сетке, которые оказывают стабилизирующее воздействие на режим работы генератора.

Накал лампы чаще всего осуществляется от понижающего трансформатора Тр, один из концов или средняя точка вторичной обмотки которого заземляется. Последнее обстоятельство всегда надо иметь в виду потому, что катод ламп в некоторых схемах находится под напряжением высокой частоты относительно земли. В этих случаях необходимо в цепь накала ставить высокочастотные дроссели. В относительно мощных генераторах на лампах прямого накала токи высокой частоты, неравномерно обтекая нить, могут создать на ее выводах значительную разность потенциалов. Чтобы исключить возможность электрического пробоя между ними, выравнивают высокочастотный потенциал выводов, соединяя их через конденсатор.

В этой главе:
10-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
10-2. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ (УСИЛИТЕЛИ)
10-3. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
10-4. ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
10-5. КЛИСТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ
10-6. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН
10-7. ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
10-8. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН КЛАССА М
10-9. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ
10-10. ГЕНЕРАТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
10-11. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ С РЕАКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОДНОГО ЗНАКА
10-12. ЗАТЯГИВАНИЕ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ
10-13. ЗАХВАТЫВАНИЕ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРА
10-14. ГЕНЕРАТОРЫ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
СОЛНЕЧНАЯ ЗАРЯДКА со встроенным аккумулятором!

Вы только на емкость встроенного аккумулятора взгляните - более чем 7 А·ч...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru