Схемы последовательного и параллельного питания входных и выходных цепей аэ

Различают две основные схемы питания входных и выходных цепей АЭ: последовательную и параллельную.

Рассмотрим особенности этих схем на примере лампового генератора. В транзисторном генераторе коллекторная цепь питания выполняется аналогично анодной цепи лампового генератора, а цепь питания базы часто оказывается проще сеточной цепи питания из-за отсутствия смещения на базе.

На рис.13.1 показаны схемы триодных генераторов с общим катодом при последовательном (рис.13.1,а) и параллельном (рис.13.1,б) питании анодной и сеточной цепей.

При составлении схем учтены основные принципы, перечисленные выше.

В последовательной схеме питания (рис.13.1,а) в анодной цепи источник питания анода, согласующая цепь – колебательный контури лампа соединены последовательно. В сеточной цепи источник смещения, источник возбуждения, представляемый трансформатором Тр, и вход лампы соединены последовательно. Следует отметить, что последовательная схема питания сеточной цепи возможна только при трансформаторной связи с источником возбуждения.

В параллельной схеме питания (рис.13.1,б) в анодной цепи контур, лампа и источник питания анодавместе с блокировочным дросселемвключены параллельно. В сеточной цепи вход лампы, источник возбуждения и источник смещениявместе с блокировочным дросселемтакже соединены параллельно. Блокировочные дросселиизамыкают цепи питания по постоянному току и преграждают пути токам высоких частот. Конденсаторыразделяют пути постоянных токов и токов высоких частот в цепи анода и сетки, соответственно.

Пути протекания составляющих анодного и сеточного токов лампы обозначены на схемах (рис.13.1).

У всех источников питания, как правило, заземляют тот полюс, который присоединяется к общему электроду входной и выходной цепей АЭ, то есть общий электрод АЭ обычно заземляется. Но это необязательно. Заземлён может быть другой электрод, удобный для заземления по конструктивным соображениям. При выборе электрода для заземления исходят часто из соображения: ёмкость какого электрода на корпус оказывается максимальной. Этот электрод и заземляют. При выборе электрода для заземления учитывают также удобство охлаждения АЭ.

Монтажные ёмкости источников питания анода , смещенияи монтажные ёмкости приборовне влияют на настройку цепей, так как все источники и приборы по высокой частоте заземлены соответственно через блокировочныеи шунтирующиеконденсаторы. Монтажная ёмкость, которую необходимо учитывать в составе ёмкости контура, образуется в основном ёмкостью анода на корпус, куда входит и междуэлектродная ёмкость анод – катод.

Недостатком последовательной схемы питания выходной цепи АЭ является то обстоятельство, что контур относительно земли (корпуса) находится под высоким постоянным напряжением питания анода . Это представляет неудобство на практике, так как требуется хорошая изоляция контура от земли (корпуса). Отмеченный недостаток особенно существенно сказывается в мощных ламповых генераторах километровых, гектометровых и дециметровых волн, когда контуры громоздки, а питающие напряжения велики (до 10 кВ и выше).

Схема параллельного питания лишена указанного недостатка. В ней не требуется изоляция контура от земли (корпуса) по постоянному току. Однако в схеме параллельного питания требуется больше элементов: в анодной цепи разделительный конденсатор и блокировочный дроссель. Подобные элементы требуются и во входной цепи:,. На разделительном конденсаторе происходит некоторое падение напряжения токов высокой частоты, а блокировочный дроссель шунтирует контур, влияя на его настройку, так как по высокой частоте дроссель оказывается включенным параллельно контуру.

Кроме влияния на настройку контура, наличие блокировочного дросселя приводит к дополнительным потерям полезной мощности. Вследствие прохождения некоторого тока высокой частоты через блокировочный дроссельнеобходимо шунтировать источник питанияконденсатором. Шунтирование источников постоянного напряжения необходимо делать в любой схеме не только с точки зрения потерь на внутреннем сопротивлении источника, но и с точки зрения уменьшения нежелательных (паразитных) связей между каскадами через общий источник питания. Кроме того, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника питания мощность токов высокой частоты будет дополнительно разогревать изоляцию кабелей, трансформаторов, на что они не рассчитывались.

Применение схемы параллельного питания в диапазоне декаметровых волн встречает трудность, так как здесь длина провода дросселя становится сравнимой с длиной рабочей волны генератора, и дроссель может оказаться короткозамкнутой на одном конце (через конденсатор) полуволновой линией, шунтирующей контур.

Схема параллельного питания анода является основной в мощных ламповых генераторах километровых и гектометровых волн. В маломощных генераторах этих диапазонов применяется схема последовательного питания анода, так как она требует меньшего числа элементов. Последовательная схема питания анода из-за трудностей создания блокировочного дросселя является также основной в ламповых генераторах декаметровых и более коротких волн.

В транзисторных генераторах параллельная схема питания коллектора широко применяется во всех диапазонах частот, независимо от мощности, что обусловливается чисто конструктивными соображениями из-за использования в качестве согласующей цепи П-контура (контур 3-го вида с неполным подключением со стороны ёмкостной ветви, что улучшает фильтрацию высших гармоник коллекторного тока и ослабляет влияние выходной ёмкости транзистора, которая может существенно изменяться с режимом работы, на настройку согласующей цепи).¹

Необходимо отметить, что у генератора схемы питания входной и выходной цепей могут быть разными: одна параллельная, другая – последовательная. Во входной цепи наиболее часто встречается параллельная схема питания, так как последовательная схема питания, как уже отмечалось, может быть реализована только при трансформаторной связи с источником возбуждения, что не всегда является целесообразным и возможным.

Схемы смещения

Схемы возможной подачи смещения на сетку лампы показаны на рис.13.2.

Напряжение смещения может подаваться от отдельного источника: химического элемента (батареи, аккумулятора) или выпрямителя, а также за счёт собственных токов электродов лампы (автоматическое смещение). При всех способах подачи напряжения смещения важно, чтобы величина его поддерживалась в нужных пределах.

При использовании отдельного источника смещения необходимо, чтобы его внутреннее сопротивление по постоянному току было малым. С этой целью параллельно выходу источника включают резистор R(рис.13.2,а). Полная величина напряжения смещения в такой схеме определяется падением напряжения на частирезистораR:

,

где - ток источника напряжения смещениячерез резисторR.

Точная формула для напряжения смещения в рассматриваемой схеме:

, (13.1)

где - внутреннее сопротивление источника смещения по постоянному току.

Чтобы напряжение смещения практически не зависело от режима сетки, необходимо выполнить условие . На практике обычно выбирают. Чем больше ток, тем меньше величинаR и больше требуемая мощность источника смещения. Данная схема подачи напряжения смещения применяется:

• когда важно, чтобы напряжение смещения не зависело от режима;

• в мощных генераторах, так как при такой схеме смещения при отсутствии напряжения возбуждения лампа оказывается закрытой (или почти закрытой) и на электродах лампы практически не рассеивается мощность;

• в генераторах на тетродах и пентодах, у которых (в этом случае при выбореприходится учитывать величину термотока сетки).

При катодном автосмещении (рис.13.2,б) величина напряжения смещения

,

где постоянная составляющая тока катода

- для триода,

- для тетрода, пентода;

- постоянная составляющая тока второй (экранной) сетки;- сопротивление катодного автосмещения.

Такой способ смещения широко применяется в маломощных генераторах на триодах и в генераторах на тетродах и пентодах, где ток управляющей сетки практически отсутствует. В мощных генераторах катодное автосмещение находит ограниченное применение, так как на сопротивлении выделяется значительная мощность, что ухудшает температурный режим работы генератора. Кроме того, при реализации такой схемы часто требуется изоляция источника питания накала от земли (корпуса), поскольку этот источник находится под потенциаломпо отношению к земле (корпусу). При этом требуется более высоковольтный источник анодного напряжения, так как часть напряжения этого источника теряется на сопротивлении. Но катодное автосмещение хорошо тем, что ограничивает величину мощности, рассеиваемой на аноде в аварийном режиме, когда не подаётся возбуждение.

Схема подачи смещения за счёт тока управляющей сетки (сеточное автосмещение) показана на рис.13.2,в. Величина напряжения смещения

.

В мощных генераторах нельзя применять сеточное автосмещение, так как при исчезновении возбуждения (обрыв цепи и др.) смещение становится равным нулю. При этом в анодной цепи протекает большой ток, и вся потребляемая от источника анодного питания мощность рассеивается на аноде. В то же время, сеточное автосмещение способствует стабилизации режима АЭ и генератора, так как увеличение сеточного тока приводит к увеличению отрицательного напряжения смещения, которое, в свою очередь, уменьшает сеточный ток. Поэтому в мощных генераторах часто применяют комбинированное смещение, когда часть напряжения смещения подаётся от отдельного источника, как в схеме (рис.13.2,а), или за счёт катодного автосмещения (рис.13.2,б), а остальная часть за счёт сеточного автосмещения.

В схемах (рис.13.2) под индуктивностью Lследует понимать индуктивность катушки высокочастотного трансформатора Тр в случае последовательного питания сетки и индуктивность блокировочного дросселяпри параллельном питании сетки.

В генераторах на биполярных транзисторах схемы подачи напряжения смещения реализуются аналогично ламповым, показанным на рис.13.2. При этом использование отдельного источника для подачи запирающего напряжения смещения практически не применяется. Аналогом катодного автосмещения в транзисторном генераторе является эмиттерное автосмещение, а аналогом сеточного автосмещения является базовое автосмещение. При эмиттерном и базовом автосмещении напряжение смещения является запирающим, что обеспечивает режимы работы транзистора с нижним углом отсечки коллекторного тока 90°. Подобные режимы работы нехарактерны для транзисторных генераторов.

У биполярных транзисторов есть ряд особенностей, которые существенно упрощают схемы смещения и схемы транзисторных генераторов в целом.

Так как статические вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов, в отличие от электронных ламп, «правые», то напряжение смещения может подаваться с помощью делителя напряжения за счёт источника коллекторного питания , как показано на рис.13.3.

Напряжение смещения в такой схеме

L

+

Рис.13.3

(13.2)

где - ток делителя напряжения источника коллекторного питания;- внутреннее сопротивление источникапо постоянному току.

Схема применяется в маломощных генераторах, как правило, для обеспечения недонапряжённого режима с углом отсечки коллекторного тока θ = 180° (класс А). В мощных генераторахвелико, поэтому потребуется большое значение тока делителя

и, соответственно, увеличение мощности источника коллекторного питания. Поэтому в мощных генераторах, когда мощность, потребляемая по цепи коллекторного питания, и мощность, потребляемая резисторным делителем напряжения,оказываются соизмеримы, применяют для подачи смещения отдельный источник напряжения. Обратим внимание, что в рассмотренной схеме (рис.13.3) обеспечивается отпирающее напряжение смещения.

Вмаломощных транзисторных генераторах важным является вопрос температурной стабилизации рабочей точки. Для этих целей часто используется схема рис.13.4. Температурная стабилизация осуществляется за счёт сопротивления в эмиттере. Существуют транзисторы, у которых сопротивление температурной стабилизации изготовлено вместе с полупроводниковой структурой в одной упаковке-корпусе. Это сопротивление учитывается в эквивалентной схеме транзистора.

Напряжение смещения в схеме (рис.13.4) определяется выражением (13.2), к которому надо добавить слагаемое

.

В мощных транзисторных генераторах чаще всего применяют нулевое смещение (),²то есть вообще обходятся без какого-либо источника для подачи смещения, что существенно упрощает схему генератора. При этом нижний угол отсечки коллекторного тока оказывается несколько меньше 90°.³

В генераторах на полевых транзисторах напряжение смещения подаётся от отдельного источника, либо за счёт постоянной составляющей тока истока (аналог катодного автосмещения, рис.13.2,б).

Схемы питания накала ламп

Питание накала ламп обычно осуществляется переменным током промышленной частоты 50 Гц.

Генераторные лампы существуют двух типов: прямонакальные и с подогревным катодом. Лампы с подогревным катодом – это обычно относительно маломощные и импульсные лампы. В таких лампах катод либо соединён с одним концом нити накала, либо полностью изолирован от него.

Возможная схема цепи питания накала лампы с подогревным катодом переменным током показана на рис.13.5,а. Напряжение накалаподаётся с обмотки накального трансформатора Тр. В прямонакальных лампах подобная схема (рис.13.5,б) не может быть использована, так как потенциал сетки оказывается разным относительно разных частей катода (нити накала), причём он будет изменяться с частотой переменного тока, питающего накал.

Действительно, результирующее напряжение между сеткой и левым выводом накала (катода)

а между сеткой и правым выводом накала (катода)

,

где - напряжение возбуждения;- напряжение накала, изменяющееся с частотой 50 Гц.

Наличие между сеткой и катодом (накалом) переменного напряжения с частотой 50 Гц вызывает нежелательную (паразитную) амплитудную модуляцию анодного тока, называемую фоном.⁴Чтобы избавиться от этого, в прямонакальных лампах используют схемы питания накала, показанные на рис.13.6.

В схеме (рис.13.6,а) заземлена средняя точка у вторичной обмотки трансформатора накала, а в схеме (рис.13.6,б) создана «искусственная» средняя точка с помощью потенциометраR. В этих схемах потенциал сетки по отношению к левой и правой половинам нити накала (катода) изменяется на одну и ту же величину, но с разным знаком:

В итоге результирующий электронный поток остаётся постоянным, что приводит к практически полному отсутствию фона.

Достоинством схемы (рис.13.6,а) является меньшее число элементов, но требуется отвод от средней точки вторичной обмотки трансформатора накала Тр, что технологически может оказаться неудобным. В схеме (рис.13.6,б) не нужна средняя точка у обмотки трансформатора, но требуется потенциометрR, на котором выделяется мощность

, (13.3)

где - амплитуда напряжения накала;- постоянный ток катода.

Минимальное значение выделяемой на потенциометре Rмощности имеет место при условии

откуда оптимальная величина сопротивления потенциометра

За счёт потенциометра Rсоздаётся автоматическое катодное автосмещение

При

,

где - действующее значение напряжения накала.

Появление катодного автосмещения за счёт потенциометра Rв цепи питания накала следует учитывать при проектировании цепи подачи смещения генератора.

Блокировочные конденсаторы в цепи накала служат для замыкания пути токов высокой частоты, минуя трансформатор (и потенциометр в схеме рис.13.6,б). Конденсаторы должны монтироваться непосредственно у выводов накала лампы, чтобы уменьшить индуктивность ввода катода в схеме генератора.

Следует отметить, что при монтаже любого генератора все присоединения к АЭ должны выполняться как можно более короткими проводами, чтобы исключить нежелательные монтажные индуктивности и ёмкости.

В мощных ламповых генераторах, помимо фона с частотой 50 Гц, возникает ещё фон с частотой 100 Гц. Причиной его является магнетронный эффект, обусловленный тем, что переменное магнитное поле около катода (нити накала) дважды за период частоты 50 Гц достигает большой величины, и в итоге электроны перемещаются от катода к аноду в перпендикулярных электрическом и магнитном полях, как в магнетроне, что вызывает искривление траекторий их движения, а это обусловливает пульсации анодного тока с частотой, в 2 раза большей частоты тока накала. Для устранения фона с частотой 100 Гц используют две лампы, включенные параллельно или по двухтактной схеме, напряжения накала на которые подаются со сдвигом по фазе на 90°. Это достигается применением специальных схем и трансформаторов. Существуют мощные генераторные лампы с питанием накала от трёхфазной сети, что также позволяет уменьшить уровень фона за счёт магнетронного эффекта.

Расчёт блокировочных и разделительных элементов в цепях питания генераторов

В реальных схемах генераторов требуемые пути прохождения токов электродов АЭ создаются с помощью блокировочных и разделительных элементов: конденсаторов, дросселей. В идеальном случае блокировочный и разделительный конденсаторы должны иметь бесконечно малое сопротивление для всех высокочастотных гармоник тока. Для постоянной составляющей тока сопротивление их бесконечно. Блокировочный дроссель должен иметь сопротивление, равное нулю для постоянной составляющей тока, и бесконечно большое сопротивление для гармоник. В действительности блокировочные и разделительные элементы обладают конечными сопротивлениями, поэтому выбирать их большими или малыми следует в сравнении с сопротивлениями соответствующих участков схемы.

В схеме последовательного питания анода (рис.13.1,а) ёмкость блокировочного конденсаторадолжна удовлетворять условию:

,

где - круговая рабочая частота;- требуемое сопротивление ЦС (контура) в анодной цепи лампы;n- может принимать значение в пределах (50…200).

Можно также выбирать ёмкость блокировочного конденсатора из условия:

.

Аналогично определяется ёмкость блокировочного конденсатора в цепи коллектора транзистора при последовательном питании.

В схеме параллельного питания анода (рис.13.1,б) ёмкость разделительного конденсаторавыбирается из условия:

.

Чем больше величина ёмкости , тем лучше. Однако при этом будут больше размеры конденсатора, и соответственно будет больше его монтажная ёмкость на корпус (землю), что нежелательно, так как она включается параллельно контуру (рис.13.1,б). Рабочее напряжение разделительного конденсатора обычно не должно быть меньше 1,5(или 1,5в случае транзисторного генератора).⁵

Индуктивность блокировочного дросселя в параллельной схеме питания анода (рис.13.1,б)⁶выбирается из условия, чтобы величина тока первой гармоники через дроссель не превышала 0,1 тока в контуре, что возможно, если

,

где - амплитуда переменного напряжения между анодом-катодом лампы (коллектором-эмиттером транзистора).

Часто индуктивность блокировочного дросселя определяют, ограничивая эффективное значение тока через дроссель:

,

где - постоянный ток через дроссель (или, соответственно);- амплитуда тока полезной (первой) гармоники через дроссель.

Если положить , то оказывается, то есть эффективный ток увеличивается, примерно, на 6% по сравнению с постоянной составляющей выходного тока АЭ: анодного тока лампы, коллекторного тока транзистора. Следовательно, провод для дросселя можно выбирать практически только по току. Необходимое сопротивление дросселя, например, в цепи анода

.

Ёмкость блокировочного конденсатора в параллельной схеме питания анода (рис.13.1,б) должна удовлетворять условию:

,

где n= (10…50).

В случае транзисторного генератора аналогичному условию удовлетворяет ёмкость .

Во входных цепях блокировочные и разделительные элементы рассчитываются из условий:

- схема последовательного питания сетки (рис.13.1,а)

;

- схема параллельного питания сетки (рис.13.1,б)

,

где - модуль входного сопротивления активного элемента;n= (50…100).

Аналогично для транзисторного генератора.

Величины сопротивлений резисторов в схемах смещения (рис.13.2) находятся из записанных для каждой из схем выражений для напряжения смещения. Сопротивления конденсаторов, включаемых параллельно резисторам, должны быть в 50…200 раз меньше сопротивлений соответствующих резисторов.

В транзисторных генераторах часто трудно выполнить блокировочный конденсатор в цепи эмиттерного смещения (конденсатор в схеме рис.13.4). Поэтому его может не быть в схеме, что накладывает ряд особенностей, обусловливаемых появляющейся отрицательной обратной связью по току.

Ёмкости конденсаторов, шунтирующих измерительные приборы, выбираются примерно такими же, как у блокировочных конденсаторов в соответствующих цепях питания.

В мощных ламповых генераторах вместо прибора для измерения постоянной составляющей анодного тока включают прибор для измерения постоянной составляющей катодного тока. Прибор для измерения токав любой схеме питания оказывается под напряжением анодного источникапо отношению к земле (корпусу) и должен быть хорошо изолирован от земли (корпуса). Прибор для измеренияприсоединяется одной клеммой к земле (корпусу), и на нём практически отсутствует постоянное напряжение.

Величина ёмкости блокировочных конденсаторов в цепях питания накала (рис.13.6) должна быть такой же, как ёмкость блокировочных конденсаторов в последовательной схеме питания анода(рис.13.1,а). Очевидно, для тока частоты 50 Гц сопротивление этих конденсаторов должно быть большим.

Схемы питания второй (экранной) сетки

Возможные схемы питания второй (экранной) сетки показаны на рис.13.7.

Достоинством схемы (рис.13.7,а) является простота: питание второй сетки осуществляется от источника анодного напряжениячерез гасящий резистор. Недостаток схемы – зависимость напряжения питания второй сеткиот режима работы лампы:

,

где - постоянная составляющая тока второй сетки.

Элементы цепи питания данной схемы должны удовлетворять условиям:

где - выходная ёмкость тетрода (пентода), примерно равная междуэлектродной ёмкости анод-вторая сетка;n= (50…100).

В схеме (рис.13.7,б) напряжение на второй сеткемало зависит от режима, если выполняется соотношение:, где- ток от источникачерез делитель напряжения.

Элементы схемы выбираются из следующих соотношений:

n= (50…100).

Отметим, что резисторы по высокой частоте включены параллельно.

Недостатком схемы (рис.13.7,б) является большая мощность, рассеиваемая на резисторах.

Схемы (рис.13.7,а,б) в мощных генераторах находят ограниченное применение. При построении многокаскадных устройств в качестве источника напряженияиспользуется источник анодного питания предыдущего, менее мощного, каскада.

В мощных генераторах используется схема (рис.13.7,в), где питание второй сетки осуществляется от отдельного источника. Резисторслужит для ограничения величины тока второй сетки в моменты минимального напряжения на аноде. Величина сопротивлениясоставляет единицы-десятки Ом. Ёмкость блокировочного конденсатора в схеме, гдеn = (50…100).

В заключение обратим внимание, что на схемах (рис.13.7,а,б) изображено последовательное питание анода. Для рассмотрения вопросов питания второй (экранной) сетки это непринципиально. Аналогично реализуется питание второй сетки при параллельном питании анода.