Лекция 7

Выбор АЭ по заданным требованиям к усилителю мощности. Инженерный метод расчёта ламповых и транзисторных ГВВ – усилителей мощности, оптимальных по разным критериям.

Полученные в лекциях 4 – 6 соотношения позволяют предложить порядок расчёта режимов выходной (анодной, коллекторной) и входной (сеточной, базовой) цепей ламповых и транзисторных ГВВ, оптимальных по разным критериям.

Рассматриваемый ниже порядок расчёта режимов цепей ГВВ представляет инженерный метод расчёта ламповых и транзисторных ГВВ – усилителей мощности, основанный на кусочно-линейной аппроксимации статических ВАХ анодного, коллекторного тока.

В результате расчёта должны быть определены действующие в цепях генератора напряжения и токи, мощности, требуемое сопротивление нагрузки в выходной цепи АЭ.

В лекции 6 показано, что оптимальным по мощности и КПД режимом работы ГВВ является критический режим.

В большинстве случаев требуется рассчитать генератор на заданную колебательную мощность . Иногда необходимо провести расчёт: на оптимальное использование мощности источников питания, или на оптимальное использование АЭ по току, или на заданное сопротивление нагрузки и др.

В зависимости от задания порядок расчёта режима выходной цепи АЭ ГВВ различен. Однако, большинство случаев задания могут быть сведены к расчёту на заданную колебательную мощность .

Ниже рассматривается порядок расчёта ламповых и транзисторных ГВВ в критическом режиме по схеме с общим катодом и общим эмиттером, оптимальным по разным критериям. Также рассматриваются особенности расчётов ГВВ в недонапряжённом и перенапряжённом режимах.

1. Расчёт генератора на заданную колебательную мощность в критическом режиме

Расчёт начинается с выбора АЭ. При этом исходят из заданной колебательной мощности и диапазона рабочих частот генератора.

Если требуемая от генератора мощность не превышает десятков – сотни ватт,¹ то такой генератор может быть выполнен на транзисторе. Если же мощность генератора составляет сотни ватт – единицы, десятки, сотни киловатт, то такой генератор, особенно при больших уровнях мощности, может быть выполнен оптимальным образом только в ламповом исполнении.

АЭ – лампа, транзистор выбирается на мощность

, (*)

где - номинальная (указанная в паспортных данных на прибор) колебательная мощность АЭ.

Если заданная мощность не может быть обеспечена одним АЭ, то решают вопрос о количестве АЭ, подходящих по частоте и доступных по мощности. Заданная мощность обеспечивается суммированием мощностей нескольких АЭ с помощью специальных схем и устройств, основные из которых мы рассмотрим в лекциях 15, 16.

Часто оказывается, что несколько АЭ удовлетворяют условию (*). В этом случае при выборе АЭ учитывают дополнительные данные, как-то, стоимость прибора, доступность, размеры, надёжность и др.

В паспортных данных АЭ, которые могут быть взяты из соответствующих справочников, приводятся все необходимые для расчёта параметры, соответствующие номинальному (рекомендованному) режиму работы АЭ. Для ламп обычно указываются значения: номинальной колебательной мощности , номинального напряжения питания анода , допустимой мощности рассеяния на аноде , допустимой мощности рассеяния на сетке и др. Для транзисторов: номинальная колебательная мощность или выходная мощность Р_ВЫХ, напряжение питания коллектора или допустимое напряжение коллектор-эмиттер , допустимое обратное напряжение на переходе база-эмиттер и др. В полных справочниках обязательно приводятся статические ВАХ выходного тока АЭ, которые необходимы для определения эквивалентных параметров аппроксимированных характеристик:² и др., если эти параметры специально не оговариваются. Иногда указываются эквивалентные параметры для номинального режима. Если выбранный режим отличается от номинального, то эквивалентные параметры аппроксимированных ВАХ следует уточнить.

В ламповых ГВВ иногда приходится сознательно отклоняться от номинального режима работы лампы, если её номинальная мощность заметно больше заданной . При этом целесообразно снижать величину питающего анодного напряжения и улучшать использование лампы по току. Чем с большим током и меньшим напряжением работает лампа, тем меньше величина требуемого сопротивления нагрузки в анодной цепи лампы

Последнее особенно важно с повышением рабочей частоты генератора, где появляются определённые трудности в реализации высоких значений . На практике это имеет место в ГВВ метровых, дециметровых, сантиметровых волн.

Мощность, обеспечиваемая лампой в нагрузке при пониженном значении анодного напряжения, примерно может быть оценена по формуле

согласно которой при и

А. Расчёт режима выходной цепи

1. Выбирается нижний угол отсечки анодного тока лампы в пределах θ = (60…90)° и по таблицам или графикам (в последнем случае точность будет ниже) находятся коэффициенты разложения косинусоидального (остроконечного) импульса: Эти коэффициенты могут быть также определены по соответствующим формулам лекции 5.

В транзисторном ГВВ часто принимают нижний угол отсечки коллекторного тока равным 90° или немного меньше.

2. Определяется коэффициент использования анодного (коллекторного) напряжения, соответствующий критическому режиму по формуле (6.15)

где - принятое напряжение питания анода. Когда лампа полностью используется по мощности, то

Для тетродов с выраженным динатронным эффектом

. (7.1)

Последнее соотношение выводится аналогично (6.15), если учесть, что для критического режима при аппроксимации статических ВАХ анодного тока, как показано на рис.4.4,б, в случае тетрода с динатронным эффектом

, (7.2)

откуда

ит.д. по аналогии с выводом (6.15). Соотношение (7.2) поясняется рис.7.1.

Выражение (7.1) можно получить также путём следующих рассуждений. Если у лампы с динатронным эффектом на семействе аппроксимированных статических ВАХ (рис.4.4,б) сместить начало координат в точку , то можно применить выражение (6.15), в котором вместо напряжения должно быть напряжение . Выражение (6.15) в этом случае определяет коэффициент

.

Учитывая, что

,

из последнего выражения находим

,

что совпадает с (7.1).

3. Определяется амплитуда колебательного напряжения:

на аноде лампы

на коллекторе транзистора

В случае транзисторного ГВВ следует проверить, что при принятом напряжении питания коллектора и найденном колебательном напряжении на коллекторе с амплитудой максимальное мгновенное напряжение на коллекторе не превышает допустимое, то есть

Если это условие не выполняется, то следует уменьшить и повторить расчёты.

Иногда в транзисторном ГВВ амплитуду колебательного напряжения на коллекторе определяют, исходя из условия В этом случае для критического режима на основании рис.7.2 можно записать

,

откуда следует

.

Напряжение коллекторного питания в этом случае

.

Часто в транзисторных ГВВ выбирают

обеспечивая при этом некоторый запас по напряжению на коллекторном переходе, так как

.

4. Определяется амплитуда первой гармонической составляющей:

анодного тока лампы

коллекторного тока транзистора .

5. Определяется амплитуда импульсов анодного, коллекторного тока

.

Для ламп с ограниченным током эмиссии катода необходимо проверить условие

(до 20% эмиссионного тока катода оставляется на токи сеток: управляющей и экранной). Если условие не выполняется, то следует увеличить значение θ и все расчёты повторить.

6. Определяется постоянная составляющая анодного, коллекторного тока

.

Для ламп с активированным катодом следует проверить условие

где - допустимое значение постоянной составляющей тока анода лампы. Если задано в паспортных данных допустимое значение действующего тока катода то, можно принять (до 20% действующего тока катода отводится для токов сеток).

Если условие не выполняется, то необходимо выбрать меньшее значение θ и все расчёты повторить.

7. Определяется мощность, потребляемая от источника питания анода, коллектора

8. Определяется мощность, рассеиваемая на аноде, коллекторе

.

В ламповом ГВВ необходимо сделать проверку Если условие не выполняется, то следует уменьшить θ и все расчёты повторить.

В транзисторном ГВВ рассеиваемая на коллекторе мощность учитывается после расчёта режима входной цепи.

9. Определяется КПД анодной или коллекторной цепи, соответственно,

.

10. Определяется требуемое сопротивление нагрузки в выходной цепи АЭ (эквивалентное сопротивление параллельного колебательного контура)

.

Найденное значение сопротивления используется при выборе элементов и разработке схемы контура.

На этом расчёт режима выходной цепи АЭ заканчивается.

Б. Расчёт режима входной цепи

1. Определяется амплитуда напряжения возбуждения по формуле (6.17), которая может быть представлена в следующем виде:

.

Аналогично определяется амплитуда напряжения возбуждения транзисторного ГВВ.

2. Определяется напряжение смещения:

лампового ГВВ

транзисторного ГВВ

Приведенные соотношения следуют из выражений (4.15а), (4.15б), соответственно.

Следует обратить внимание, что приведенные соотношения определяют значение напряжения смещения с учётом того, что знаком «–» (минус) оно приложено к управляющему электроду: сетке или базе. Поэтому, если при расчёте вычисленное значение напряжения получается отрицательным, то это означает, что необходимо на управляющий электрод АЭ подать напряжение смещения знаком «+» (плюс).³

Если в транзисторном ГВВ принято , то можно уточнить выбранное значение нижнего угла отсечки коллекторного тока по формуле

и при большом расхождении все расчёты провести заново.

В транзисторном ГВВ необходимо проверить условие⁴

.

Если условие не выполняется, следует изменить режим и все расчёты повторить.

3. Определив напряжения, действующие во входной цепи ГВВ, и имея статические ВАХ входного тока АЭ, находят амплитуду импульсов сеточного или базового тока для лампового или транзисторного генератора, соответственно.

Амплитуда импульсов сеточного тока определяется по статическим ВАХ сеточного тока для мгновенных напряжений

как показано на рис.7.3, где выделена также динамическая характеристика (ДХ) сеточного тока, позволяющая построить форму реальных импульсов тока управляющей сетки.

Амплитуда импульсов базового тока определяется по статическим ВАХ коллекторного тока i_K (e_K) при найденном значении I_MK и е_{К МИН} = Е_К – U_{МК КР} . Можно её также определить по формуле

(7.3)

справедливость которой очевидна из рис.7.4, на котором представлены аппроксимированные статические ВАХ базового и коллекторного токов при .

Напряжение отсечки в последнем выражении соответствует и, как следует из рассмотрения аппроксимированных ВАХ рис.4.7,б,

.

Крутизна характеристики базового тока также соответствует статической ВАХ при .

В большинстве случаев для транзисторов можно принять D = 0 и считать также , где - коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером, значение которого, в общем случае, следует брать при . В справочниках этот коэффициент может быть обозначен также как или .

Учитывая сказанное, соотношение (7.3) можно записать:

.

4. Определяется нижний угол отсечки сеточного тока по формуле

суть которой понятна из рис.7.3.

Напомним, что угол отсечки базового тока равен углу отсечки коллекторного тока.

По найденному значению из таблиц или графиков, или по соответствующим формулам, как это делалось при расчёте режима анодной цепи после выбора θ, определяются значения коэффициентов разложения косинусоидальных импульсов .

5. Определяются составляющие токов:

- для лампового ГВВ;

- для транзисторного ГВВ.

В случае ламп с веерообразными статическими ВАХ сеточного тока, как показано на рис.7.3, какие присущи большинству современных генераторных ламп, реальные импульсы сеточного тока отличаются по форме от усечённых косинусоид, являясь более остроконечными (рис.7.5).

При такой форме импульсов рекомендуется составляющие сеточного тока определять в соответствии с соотношениями:

.

6. Определяется мощность возбуждения:

лампового ГВВ

транзисторного ГВВ .

7. Определяется мощность потерь в цепи смещения:

лампового ГВВ

транзисторного ГВВ .

8. Определяется мощность, выделяемая:

на сетке лампы

на базе транзистора⁵ .

При нулевом смещении в транзисторном ГВВ

.

В ламповом ГВВ необходимо проверить условие . Если условие не выполняется, то следует изменить режим и все расчёты сделать заново.

В транзисторном ГВВ необходимо проверить условие

где - тепловое сопротивление переход-среда транзистора (°С/Вт); - допустимая температура переходов транзистора; - температура окружающей среды.

При наличии теплоотвода тепловое сопротивление меньше, нежели при его отсутствии. Если последнее условие не может быть выполнено, то режим работы транзистора следует изменить и заново сделать все расчёты.

9. Коэффициент усиления ГВВ по мощности

.

В. Расчёт режима второй (экранной) сетки

В ГВВ на тетродах и пентодах необходимо провести расчёт режима второй (экранной) сетки.⁶

Амплитуда импульсов тока второй сетки определяется по реальным статическим ВАХ, как показано на рис.7.6.

Угол отсечки импульсов тока второй сетки обычно принимается равным нижнему углу отсечки анодного тока .⁷

Постоянная составляющая тока второй сетки .

В случае веерообразных статических ВАХ тока второй сетки .

Потребляемая мощность от источника питания второй сетки где - принятое напряжение питания второй сетки, при котором сняты используемые статические ВАХ анодного и сеточного токов (управляющей и экранной сеток).

Необходимо проверить условие , где - допустимая мощность рассеивания на второй сетке.

В ГВВ на тетродах и пентодах с веерообразными статическими ВАХ при расчёте составляющих тока первой сетки рекомендуется принимать оба поправочных коэффициента равными 0,55 вместо 3/4 и 2/3.