Принцип работы, основные энергетические соотношения и особенности расчёта лампового генератора с общей сеткой

Возможная схема ГВВ с ОС на триоде, позволяющая уяснить принцип его работы и основные энергетические соотношения, представлена на рис.14.2.

У правляющая сетка через блокировочный конденсатор С_{БЛ С}, шунтирующий по высокой частоте источник напряжения смещения – Е_С, подключена к земле (корпусу). Все питающие напряжения подаются в обычном порядке, как и в ГВВ с ОК.

В генераторе с ОС, как отмечалось выше, паразитная связь между цепями возбуждения и нагрузки осуществляется через межэлектродную ёмкость анод-катод С_АК и индуктивность ввода сетки (на схеме рис.14.2 индуктивность ввода сетки не показана). Ёмкость С_АК значительно меньше ёмкости С_АС. Индуктивность ввода сетки L_С также удаётся сделать существенно меньше индуктивности ввода катода L_КАТ. Следовательно, нежелательные элементы связи между цепями возбуждения и нагрузки в генераторе с ОС получаются менее значительными, чем в генераторе с ОК.

Принимаем, что между сеткой и катодом в генераторе с ОС, как и в генераторе с ОК, действует гармонический сигнал возбуждения в форме напряжения

Очевидно, как и в генераторе с ОК, в момент положительной полуволны напряжения возбуждения, когда потенциал сетки по отношению к катоду повышается, анодный ток лампы i_А возрастает. Переменные составляющие анодного тока , протекая через контур нагрузки С_К, L_К, включенный через блокировочную ёмкость С_{БЛ А} между анодом и землёю (корпусом генератора), создают на нём напряжение u_К. Если контур настроен на первую гармонику анодного тока, то, очевидно,

где I_А1 - амплитуда первой гармоники анодного тока; R_{oe AC} - эквивалентное сопротивление контура нагрузки С_К, L_К , включенного по высокой частоте через С_{БЛ С}, С_{БЛ А} между анодом и сеткой лампы; U_MK - амплитуда напряжения на контуре.

Возрастание анодного тока i_А с возрастанием напряжения на сетке относительно катода приводит к возрастанию напряжения на контуре. Следовательно, напряжение возбуждения u_C и выходное напряжение в генераторе с ОС u_K при настроенном контуре нагрузки находятся в фазе, тогда как в генераторе с ОК они в противофазе.³

На рис.14.2 показаны пути протекания составляющих сеточного i_C и анодного i_A токов в генераторе с ОС. Отличительной особенностью генератора с ОС является то, что через входную цепь (источник возбуждения) вместе с сеточным протекает анодный ток, причём первая гармоника анодного тока находится в противофазе с напряжением возбуждения (протекает против направления напряжения возбуждения u_C).

Мгновенные напряжения, действующие в генераторе с ОС между электродами лампы, при принятых на рис.14.2 направлениях их, удовлетворяют следующим соотношениям, записанным на основании второго закона Кирхгофа:

где u_A - переменное напряжение, действующее между анодом и катодом лампы, амплитуда которого U_MA = U_MK – U_MC .

Как видно, мгновенное напряжение между сеткой и катодом е_С в генераторе с ОС определяется точно так же, как в генераторе с ОК.⁴ Для мгновенного напряжения между анодом и катодом е_А также получается соотношение, подобное для генератора с ОК. При этом переменное напряжение u_А, действующее между анодом и катодом, равно разности переменных напряжений на контуре u_К и возбуждения u_С, то есть

Согласно последнему выражению в генераторе с ОС амплитуду колебательного напряжения на нагрузке-контуре можно представить как алгебраическую сумму амплитуд переменного напряжения между анодом и катодом лампы и напряжения возбуждения, то есть

U_MK = U_MA + U_MC. (14.1)

Следует отметить, что соотношение (14.1) справедливо для любой схемы ГВВ, работающего в режиме усиления, то есть при совпадении частот выходного сигнала и возбуждения. При этом под U_MK во всех случаях следует понимать амплитуду переменного напряжения между анодом и сеткой лампы U_{M AC}.

Принцип работы электронной лампы в схеме генератора и напряжённость режима её работы не зависят от того, какой электрод у лампы заземлён:⁵ электроны с катода перемещаются в сторону сетки и анода, плотность электронного потока зависит от действующих между электродами напряжений, в первую очередь от управляющего напряжения между сеткой и катодом. Действующие между электродами напряжения определяют величины токов электродов, которые можно найти по статическим ВАХ лампы. Поэтому можно утверждать, что если в двух генераторах на одинаковых лампах действующие между электродами постоянные и переменные напряжения одинаковы, то режимы работы ламп в этих генераторах также одинаковы.

Следовательно, соотношение (14.1) указывает на тот факт, что если в генераторе с ОС установить на электродах такие же напряжения, как в генераторе с ОК, то есть реализовать одинаковый режим работы ламп в обоих генераторах, то амплитуда напряжения на нагрузке U_MK в генераторе с ОС будет больше на величину U_MC, чем в генераторе с ОК. В генераторе с ОС амплитуда переменного напряжения на контуре U_MK равна амплитуде переменного напряжения U_{M АC}, действующего между анодом и сеткой, то есть

U_MK = U_{M AC} = U_MA + U_MC. (14.2)

Как правило, U_MA >> U_MC, поэтому напряжение на контуре, следовательно, и переменное напряжение между анодом и сеткой лампы U_{M AC} в генераторе с ОС в основном определяются переменным напряжением между анодом и катодом U_MA. Напомним, что в генераторе с ОК одинаковыми являются переменные напряжения на контуре и между анодом и катодом лампы.

Рассмотрим энергетические соотношения в генераторе с ОС.

Через источник анодного питания c напряжением Е_А протекает постоянная составляющая анодного тока I_A0 (см. рис.14.2). Следовательно, мощность, потребляемая от источника анодного питания Е_А,

Р₀ = Е_А I_A0.

Колебательная мощность в анодно-сеточном контуре

.

Учитывая (14.2), получаем:

. (14.3)

В выражении (14.3) первое слагаемое определяет колебательную мощность, которую можно получить в нагрузке генератора с ОК при работе лампы в таком же по напряжённости режиме, как в генераторе с ОС. Второе слагаемое определяет величину дополнительной колебательной мощности, которая может быть получена в генераторе с ОС, если лампа в нём работает в таком же режиме, как в генераторе с ОК.

Как уже отмечалось, в генераторе с ОС через входную цепь протекает, кроме сеточного тока, анодный ток. Поэтому мощность возбуждения определяется суммарным током сетки и анода:

(14.4)

Первое слагаемое в правой части выражения (14.4) определяет ту часть мощности, которая расходуется непосредственно в сеточной цепи генератора на управление током. По форме это слагаемое совпадает с выражением для мощности возбуждения в генераторе с ОК (см. лекцию 1). Следовательно, оно определяет величину мощности возбуждения в генераторе с ОК при работе в нём лампы в таком же по напряжённости режиме, как в генераторе с ОС. Второе слагаемое

определяет величину дополнительной мощности возбуждения, требуемой в генераторе с ОС при работе лампы в таком же режиме, как в генераторе с ОК. Как видно, величина этой мощности равна величине дополнительной колебательной мощности, которая может быть получена в генераторе с ОС по сравнению с генератором с ОК при работе ламп в обоих генераторах в одинаковом по напряжённости режиме.

Эту мощность называют проходной и обозначают

.

Проходная мощность представляет часть мощности, затрачиваемой источником возбуждения, которая непосредственно переходит в колебательную мощность в нагрузке генератора, то есть проходит из входной цепи в выходную. Остальная часть колебательной мощности в генераторе с общей сеткой

обеспечивается за счёт преобразования энергии источника анодного питания. Согласно (14.3) эта мощность равна

.

Такая мощность получается в генераторе с ОК. Обозначим её . Тогда выражение (14.3) можно записать в виде

.

Обозначая мощность

,

затрачиваемую источником возбуждения непосредственно в сеточной цепи генератора с ОС, которая равна мощности возбуждения в генераторе с ОК, как , выражение (14.4) можно записать в виде

Необходимое эквивалентное сопротивление анодно-сеточного контура, являющегося нагрузкой генератора с ОС,

где - эквивалентное сопротивление контура нагрузки в генераторе с ОК при режиме работы лампы как в генераторе с ОС. Такое же сопротивление нагрузки ощущает лампа относительно точек анод-катод в генераторе с ОС.

Как следует из последнего выражения, требуемое эквивалентное сопротивление контура нагрузки в генераторе с ОС при одинаковом режиме работы лампы больше, чем в генераторе с ОК. Только при таком сопротивлении контура в генераторе с ОС, по сравнению с генератором с ОК, может быть получена в нагрузке дополнительная колебательная мощность за счёт источника возбуждения. Если в генераторах с ОС и с ОК использованы контуры с одинаковыми эквивалентными сопротивлениями R_oe и имеют место одинаковые значения амплитуд первых гармоник анодных токов ламп в обоих генераторах, то колебательные мощности в нагрузках генераторов будут одинаковы. Однако, если в генераторе с ОК вся мощность при этом создаётся за счёт преобразования энергии источника питания анода, то в генераторе с ОС часть колебательной мощности создаётся за счёт источника возбуждения. Режим работы лампы в генераторе с ОС в этом случае будет менее напряжённым, чем в генераторе с ОК.

Очевидно, если нет проблем с реализацией необходимого эквивалентного сопротивления анодно-сеточного контура R_{oe AC}, то в генераторе с ОС может быть получена колебательная мощность больше номинальной для лампы на величину проходной мощности.

Согласно (14.2)

.

Можно так подобрать R_{oe AC}, что U_MA = 0. Это возможно, если

.

В этом случае колебательная мощность в нагрузке генератора создаётся только за счёт источника возбуждения и равна Р_ПРОХ.

При R_{oe AC} = 0, то есть, например, при коротком замыкании анодно-сеточного контура,

U_MA = – U_MC.

В этом случае между анодом и катодом лампы действует переменное напряжение, равное напряжению возбуждения (знак «–» обусловлен тем, что напряжения u_A и u_C на схеме рис.14.2 имеют противоположные направления). Если R_{oe AC} = 0, то, очевидно, колебательная мощность в нагрузке генератора P_~ = 0, а проходная мощность при этом

и рассеивается на аноде вместе с мощностью Р₀, подводимой от источника анодного питания. То, что при коротком замыкании контура нагрузки в генераторе с ОС потребляемая от источника возбуждения мощность Р_ПРОХ рассеивается на аноде, объясняется тем, что между сеткой-катодом и анодом-катодом действует одно и то же переменное напряжение от источника возбуждения, ускоряющее электроны в межэлектродных пространствах катод-сетка, катод-анод. При этом вся кинетическая энергия, приобретённая прошедшими через сетку электронами, выделяется ими на аноде.

В общем случае мощность, рассеиваемая на аноде лампы в генераторе с ОС, определяется соотношением

Р_А = Р₀ + Р_ПРОХ – Р_~ .

Очевидно, если , то Р_А = Р₀. Если , то вся мощность Р₀ и часть проходной мощности Р_ПРОХ рассеиваются на аноде лампы. Оставшаяся часть Р_ПРОХ выделяется на контуре.

Коэффициент полезного действия анодной цепи генератора с ОС, характеризующий эффективность преобразования энергии источника анодного питания в энергию высокочастотных электрических колебаний, можно определить следующим соотношением:

физический смысл и возможная трактовка которого очевидны из приведенных выше рассуждений. Согласно последнему соотношению в «нормальном» режиме работы генератора с ОС, когда ,

.

Если учесть, что - коэффициент использования напряжения источника анодного питания в генераторе с ОК, то КПД анодной цепи генератора с ОС определяется точно так же, как и у генератора с ОК:

.

Этого и следовало ожидать при одинаковых режимах работы ламп в обеих схемах генераторов.

При работе лампы в недонапряжённом режиме вплоть до критического отношение токов

,

следовательно

. (14.5)

Мощность, рассеиваемая на сетке лампы в генераторе с ОС, определяется, как и в генераторе с ОК:

Коэффициент усиления по мощности К_Р генератора с ОС за счёт дополнительной загрузки источника возбуждения анодным током заметно меньше, чем генератора с ОК. Определить его можно по формуле

где - коэффициент усиления по напряжению в генераторе с ОС.

Если в генераторе с ОК при отсутствии сеточного тока (I_C1 = 0) коэффициент усиления по мощности равен бесконечности, так как Р_{ВОЗБ ОК} = , то в генераторе с ОС в этом случае К_Р = К_u. Очевидно, чтобы в генераторе с ОС получить К_Р >1, необходимо иметь эквивалентное сопротивление анодно-сеточного контура

Как уже отмечалось выше, принцип работы и режим лампы в схеме генератора не зависит от того, какой электрод заземлён. Следовательно, для генератора с ОС справедливы все уравнения, описывающие выходной (анодный) ток лампы, а также основное уравнение ГВВ (4.8).⁶ Необходимо только учитывать особенности генератора с ОС, связанные с тем, что контур нагрузки генератора включен между анодом и сеткой лампы, а не между анодом и катодом, как в генераторе с ОК. В частности, амплитуду первой гармоники анодного тока в генераторе с ОС при работе в недонапряжённом режиме вплоть до критического можно определить по формуле

. (14.6)

Если D = 0, то При этом

Так как растёт с увеличением нижнего угла отсечки анодного тока θ, то K_u, следовательно, и K_P также будут расти. Однако, чем больше θ, тем хуже КПД анодной цепи, так как уменьшается значение , определяющее КПД анодной цепи (14.5). Поэтому для генератора с ОС, независимо от типа катода лампы (активированный или неактивированный), рекомендуется выбирать значение нижнего угла отсечки анодного тока θ = 90°.

При полном использовании лампы по мощности K_P в генераторе с ОС в 1,5…2 раза ниже, чем в генераторе с ОК на такой же лампе.

Активная составляющая входного сопротивления генератора с ОС определяется результирующим входным током

и оказывается намного меньше, чем у генератора с ОК.

Если , а D = 0, то

,

где - средняя крутизна по первой гармонике анодного тока.

Низкое активное входное сопротивление генератора с ОС отражает тот факт, что его входная цепь сильнее нагружает источник возбуждения, чем в случае генератора с ОК.

Учитывая, что , из (14.6) находим

(14.7)

где - приведенное внутреннее сопротивление лампы; - статический коэффициент усиления лампы по напряжению.⁷

Выражению (14.7) соответствует эквивалентная схема выходной цепи генератора с ОС в недонапряжённом режиме работы, вплоть до критического режима, представленная на рис.14.3,а, которая может быть преобразована в схему с эквивалентным генератором тока (рис.14.3,б).

Схемы рис.14.3 отличаются от аналогичных схем для генератора с ОК (см. лекцию 9, рис.9.1 и рис.9.4) только напряжением и током эквивалентных генераторов, которые оказываются в (1+D) раз больше, что не является существенным, так как D << 1.

Из (14.7) для активной составляющей входного сопротивления генератора с ОС получаем

.

Последнее выражение определяет активную составляющую входного сопротивления генератора с ОС с учётом реакции анода, но также при пренебрежении сеточным током лампы.

Следует отметить, что низкое входное сопротивление и наличие проходной мощности в генераторе с ОС могут рассматриваться как результат действия отрицательной обратной связи по току, имеющей место в данном генераторе.

Полное входное сопротивление генератора с ОС, как и генератора с ОК, является комплексным из-за входной ёмкости лампы, подключаемой параллельно R_ВХ. Входная ёмкость лампы обычно учитывается в составе реактивных элементов входной согласующей цепи генератора.

Если сопоставить формулы, характеризующие энергетические показатели ГВВ с ОС и ОК, то можно найти между ними много общего и прийти к выводу, что рассчитать режим генератора с ОС можно по формулам для генератора с ОК. Необходимо только учесть особенности генератора с ОС, связанные с наличием проходной мощности.

В генераторе с ОС не вся колебательная мощность создаётся лампой за счёт источника анодного питания. Часть колебательной мощности в нагрузке генератора создаётся источником возбуждения. Поэтому, если в нагрузке задана мощность P_~, то лампа для генератора с ОС должна выбираться на мощность

.

В большинстве случаев , следовательно,

.

Исходя из мощности , по формулам для генератора с ОК (см. лекцию 7) можно провести расчёт режима. Найдя значения I_A1 и U_MC, следует определить величину проходной мощности Р_ПРОХ, которая будет иметь место в генераторе с ОС при таком же режиме работы лампы, как в рассчитанном генераторе с ОК:

.

Если в результате расчёта значение с приемлемой для разработчика точностью близко к необходимой мощности генератора P_~ , то, следовательно, все параметры режима найдены. Если же имеется заметное расхождение, то следует изменить в соответствующую сторону расчётное значение P_{~ ОК} и заново провести необходимые вычисления.

Точно также, если задано сопротивление анодно-сеточного контура R_{oe AC}, то генератор с ОК следует рассчитывать по соответствующей методике (лекция 7) на сопротивление

.

После чего необходимо проверить соответствие сопротивлений: принятого для расчёта и получаемого при найденных значениях U_MC и U_MA. При большом расхождении сопротивлений следует расчёт генератора с ОК провести на новое значение сопротивления нагрузки между анодом и катодом лампы.

Для генератора с ОС несложно получить на основании приведенных в лекции выражений основные расчётные соотношения, автоматически учитывающие наличие проходной мощности в генераторе, использование которых позволяет исключить корректировку расчётов, о которой упоминалось выше.

Напряжение источника анодного питания Е_А в генераторе с ОС выбирается так же, как и в генераторе с ОК. Как и в генераторе с ОК, чем выше рабочая частота генератора и если есть у лампы запас по мощности и току эмиссии катода, напряжение анодного питания следует понижать по сравнению с номинальным, чтобы потребовалось меньшей величины сопротивление контура нагрузки в анодно-сеточной цепи:

.

Нижний угол отсечки анодного тока в генераторе с ОС, как отмечалось, обычно принимается равным 90°.

После определения напряжений возбуждения U_MC и смещения Е_С расчёт режима сеточной цепи проводится как в генераторе с ОК, за исключением мощности возбуждения

и активной составляющей входного сопротивления

.

Определив проходную мощность , можно найти

• рассеиваемую на аноде мощность

Р_А = Р₀ + Р_ПРОХ – Р_~;

• КПД анодной цепи

.

Благодаря повышенной устойчивости ламповые генераторы с ОС первоначально нашли широкое применение в диапазоне дециметровых волн, так как реализовать схему удалось только с изобретением ламп плоскопараллельной конструкции электродов. Позднее схема получила широкое распространение в диапазоне декаметровых волн. С появлением тетродов на мощности в несколько десятков киловатт применение генераторов с ОС в метровом и декаметровом диапазонах несколько ограничилось. В то же время в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн исключительно применяется эта схема генератора. Следует отметить, что в ряде случаев, например, в мощных каскадах радиопередатчиков сигналов телевизионного изображения, тетроды также включают по схеме с ОС в метровом диапазоне волн, что объясняется не только конструктивными особенностями ламп в отдельных случаях, но и низким входным сопротивлением генератора с ОС, облегчающим построение широкополосной входной цепи такого генератора.

Практические схемы генераторов с общей сеткой (ОС)

Сетка лампы в генераторе с ОС может быть заземлена не только по высокой частоте, но и по постоянному току. Последнее обычно имеет место при использовании катодного автосмещения. Если используется независимое (от отдельного источника) или сеточное автосмещение, то сетка по постоянному току не заземляется.

На рис.14.4 представлены несколько возможных схемных реализаций однотактного генератора с ОС. Возможна реализация двухтактного генератора с ОС на тех же принципах, что и в случае схемы с ОК.⁸

Ёмкость блокировочного конденсатора в цепи сетки выбирается из условия

С_{БЛ С} ≈ 200 С_АС.

Через этот конденсатор осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению между входной и выходной цепями генератора. Чем больше ёмкость блокировочного конденсатора, тем меньше обратная связь. Однако иметь блокировочный конденсатор большой ёмкости в цепи сетки часто не представляется возможным, так как этот конденсатор выполняется обычно конструктивно. Если невозможно реализовать конденсатор С_{БЛ С} необходимой ёмкости, то следует сетку соединять непосредственно с землёю (корпусом) генератора и использовать катодное автосмещение, как в схемах (рис.14.4,в,г).

Конденсаторы С_Н выравнивают потенциал катода (накала) по высокой частоте. Чем больше ёмкость этих конденсаторов, тем лучше. Однако с увеличением ёмкости конденсаторов С_Н возрастают их габариты, и становится существенной монтажная ёмкость этих конденсаторов относительно земли (корпуса). Через эту ёмкость происходит утечка на землю (корпус) сигнала возбуждения. Ёмкость конденсаторов С_Н рекомендуется выбирать из условия

где ω - рабочая частота генератора; Z_ВХ - модуль входного сопротивления генератора.

Индуктивности L_Н в цепи накала (катода) должны обеспечивать надёжную изоляцию по высокой частоте катода лампы от земли (корпуса), то есть от сетки. Следовательно, их сопротивление должно быть существенно больше входного сопротивления генератора, что достигается при

.

Ёмкость блокировочных конденсаторов в цепи накала выбирается из условия

При выборе ёмкостей конденсаторов С_Н и С_БЛ в цепи накала следует учитывать, что для токов с частотой питания накала (обычно 50 Гц) сопротивление их должно быть большим, существенно больше сопротивления нити накала.

Через индуктивности L_Н протекает ток накала, который в мощных лампах составляет десятки-сотни ампер, что может вызвать заметное падение напряжения от источника накала на этих индуктивностях. Чем больше индуктивности L_Н , тем больше на них падение напряжения от источника накала и это необходимо учитывать, так как возможен недокал (недонагрев) катода и не будет получен нужный ток анода, а соответственно и нереализован рассчитанный режим генератора. Если индуктивности L_Н выполняются в виде катушек, то с укорочением рабочей длины волны генератора λ необходимо следить, чтобы полная длина провода намотки индуктивности L_Н не оказалась близкой к λ/2. В противном случае катушка индуктивности L_Н проявляет себя как полуволновой отрезок длинной линии, короткозамкнутый на одном конце через ёмкость С_БЛ, и соответственно обеспечивает короткое замыкание сигнала возбуждения, что недопустимо.

В генераторах с ОС может быть применена как последовательная, так и параллельная схема питания анода. Выбор схемы питания и номиналы блокировочных и разделительных элементов определяется теми же соображениями, что и в генераторе с ОК. Однако при использовании контуров из сосредоточенных элементов (конденсатор С_К, катушка индуктивности L_К) с повышением рабочей частоты генератора затрудняется реализация блокировочного дросселя в параллельной схеме питания анода L_{БЛ А} (по тем же соображениям, что и индуктивностей L_Н с укорочением рабочей длины волны) и может оказаться возможным осуществление только последовательной схемы питания анода.

В схеме (рис.14.4,г) конденсаторы С_БЛ и С_Н выравнивают потенциал нити накала с катодом по высокой (рабочей) частоте. На схеме показана лампа, у которой вывод катода объединён с одним из выводов накала.

Приведенные на рис.14.4 примеры хотя и не исчерпывают всего многообразия схем генераторов с ОС, но дают полное представление, с учётом сделанных выше замечаний, о принципах построения таких генераторов.