Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
281
Добавлен:
26.05.2014
Размер:
245.25 Кб
Скачать

Лекция 2

Энергетические соотношения в выходной и входной цепях ГВВ. Возможности повышения энергетических показателей ГВВ на электронных лампах и транзисторах.

Произведение мгновенного напряжения u на некотором участке электрической цепи на мгновенный ток i через этот участок определяет мгновенную мощность p на этом участке. В случае периодического сигнала среднее за период значение интеграла от p соответствует активной мощности на данном участке электрической цепи. С учётом физической связи между током и напряжением на участке цепи значение мгновенной мощности может быть положительным, то есть p = u i > 0, или отрицательным: p = u i < 0. Если физически связанные напряжение и ток на участке цепи направлены в одном направлении, то p > 0, если физически связанные ток и напряжение на участке цепи имеют противоположные направления, то p < 0. Положительное значение активной мощности соответствует потреблению её на участке цепи, тогда как отрицательное значение активной мощности соответствует отдаче её этим участком электрической цепи, необходимым условием чего является наличие на этом участке источника мощности. Обратим внимание, что наличие источника на участке цепи является необходимым, но недостаточным условием отдачи мощности этим участком цепи. Как ниже увидим, в ГВВ на отдельном участке, несмотря на наличие в нём источника, происходит не отдача мощности этим источником, а потребление им мощности другого источника.

Определим мощности1 в выходной (анодной, коллекторной) и входной (сеточной, базовой) цепях ГВВ, связанные с основными элементами схем рис.1.1.

Основные участки, выделяемые в выходной цепи ГВВ: контур ; источник питания анода или коллектора ; АЭ – лампа или транзистор.

Мощность на контуре можно определить как

где - мгновенная мощность на контуре, определяемая мгновенным напряжением на контуре и мгновенным током через контур ; Т - период частоты выделяемого сигнала (Т=1/f=1/n= 2π/, n=1 в режиме усиления, n ≥ 2 в режиме умножения частоты).

В схемах рис.1.1 через контур протекает полный ток выходного электрода АЭ, то есть ток анода или ток коллектора . Следовательно, = или = . Выше мы приняли (см. лекцию 1), что сопротивление контура для всех гармоник выходного тока, кроме той, на частоту которой он настроен, равно нулю. Следовательно, на контуре присутствует только напряжение одной гармоники, называемое колебательным напряжением на контуре и определяемое в общем случае выражением

где n = 1, 2, 3, … - в зависимости от режима ГВВ: усиление или умножение частоты.

Обратим внимание, что мгновенная мощность на контуре > 0, так как напряжение и ток на участке контура согласно закону Ома имеют одинаковое направление.

Таким образом, мощность на контуре в терминах, например, лампового ГВВ

Подынтегральное выражение, если раскрыть скобки, распадается на бесконечное число слагаемых, но отличный от нуля результат будет только от одного слагаемого, определяемого произведением напряжения на ток, изменяющийся с такой же частотой , то есть

Согласно полученному результату при принятом подходе на контуре выделяется мощность только одной гармоники, и именно той, на частоту которой контур настроен. Мощность носит название колебательной мощности и обычно обозначается . Это обозначение мы и будем использовать. Таким образом,

Так как то справедливы также соотношения:

Если контур настроен на первую гармонику (режим усиления), то

Полученный результат следовало ожидать: колебательная мощность определяется известным соотношением для мощности гармонического сигнала на активной нагрузке – резистивном сопротивлении.

Очевидно, колебательная мощность транзисторного генератора в режиме усиления

В режиме умножения частоты вместо тока будет ток соответствующей гармоники .

Мощность на участке выходной цепи ГВВ, включающем только источник напряжения питания анода или коллектора ,

где мгновенная мощность в ламповом ГВВ и в транзисторном ГВВ. Нетрудно видеть, что мощность на участке выходной цепи ГВВ, включающем только источник питания анода или коллектора , оказывается отрицательной, так как направление напряжения источника и направление тока через него противоположны. Это означает, что источник питания выходного электрода АЭ ГВВ отдаёт мощность. Отдаёт он её, очевидно, во внешнюю относительно источника цепь, включающую контур и АЭ. Действительно, на участке АЭ – контур действует напряжение или , а ток на этом участке или совпадает по направлению с напряжением. Следовательно, мгновенная мощность на этом участке цепи положительна и участок потребляет мощность, которая оказывается по величине равной мощности, отдаваемой соответствующим источником питания или . Величину мощности, отдаваемой источником питания анода , коллектора , принято обозначать . В обозначениях лампового ГВВ получаем

Как видим, величина отдаваемой источником питания выходного электрода АЭ ГВВ мощности равна произведению величины постоянного напряжения источника питания на величину постоянной составляющей тока этого электрода, протекающей через источник.

Мощность на участке выходной цепи ГВВ, включающем только АЭ – лампу или транзистор, определяется, например, в терминах лампового ГВВ, выражением

где мгновенная мощность на лампе Мгновенная мощность на транзисторе Символы А и К в обозначениях мощностей обусловлены, соответственно, названиями электродов: Анод у лампы, Коллектор у транзистора.

Учитывая, что мгновенное напряжение на аноде получаем

Мощность выделяется на аноде лампы и разогревает его. Физически это обусловлено тем, что электроны, преодолевшие промежуток катод-анод в лампе, приобретают кинетическую энергию, которую передают аноду, ударяясь об его поверхность. Аналогичная мощность выделяется на коллекторе транзистора ГВВ:

Сказанное объясняет введение в обозначение данной мощности символа соответствующего электрода АЭ: анода или коллектора.

Таким образом, мощность, выделяемая на выходном электроде АЭ (аноде, коллекторе), равна разности мощностей, потребляемой от источника питания и колебательной . Полученный результат отражает закон сохранения энергии в выходной цепи ГВВ и означает, что мощность , потребляемая от источника питания в этой цепи, преобразуется частично в колебательную мощность , а оставшаяся часть выделяется на выходном электроде АЭ: на аноде или коллекторе. Выделяемая на аноде, коллекторе мощность носит название рассеиваемой мощности, соответственно, на аноде лампы, на коллекторе транзистора.

Эффективность преобразования энергии источников питания выходной цепи АЭ ГВВ в энергию переменного тока высокой частоты оценивается, соответственно, КПД анодной цепи, КПД коллекторной цепи, определяемом из соотношения2

Для КПД анодной цепи получаем в режиме усиления

(2.1)

В режиме умножения частоты, очевидно, вместо тока будет ток . Аналогично определяется КПД коллекторной цепи

Как видно из (2.1), для увеличения КПД анодной (коллекторной) цепи необходимо увеличивать коэффициент использования анодного (коллекторного) напряжения ξ и отношение амплитуды тока выделяемой гармоники выходного тока к его постоянной составляющей. Использование параллельного колебательного контура в качестве нагрузки в выходной цепи АЭ ГВВ позволяет существенно увеличить КПД анодной (коллекторной) цепи, соответственно и КПД генератора в целом, по сравнению с усилителем с нагрузкой – резистором и трансформаторной нагрузкой, так как, во-первых, колебательный контур, благодаря резонансным свойствам, принципиально позволяет получить большее значение ξ, нежели при трансформаторной нагрузке и особенно при нагрузке – резисторе, и, во-вторых, реализовать большее отношение (в общем случае отношение ), что, как показано в лекции 5, имеет место при малых значениях нижнего угла отсечки анодного (коллекторного) тока θ. Нежелательные гармонические составляющие выходного тока, уровень которых становится соизмеримым с уровнем выделяемой гармоники при уменьшении нижнего угла отсечки,3 отфильтровываются контуром благодаря его избирательным свойствам.

Колебательная мощность , выделяемая на контуре, частично расходуется (теряется) в элементах контура из-за их неидеальности: помимо реактивного сопротивления в элементе присутствует и небольшое активное (резистивное) сопротивление, а большая часть колебательной мощности переходит в полезную нагрузку генератора и носит название полезной мощности Отношение полезной мощности к суммарной мощности, расходуемой всеми источниками питания генератора (в случае лампы сюда относится и источник питания накала), определяет промышленный КПД генератора. Очевидно, промышленный КПД генератора всегда ниже, чем КПД анодной цепи или коллекторной цепи . Величина последних, как следует из (2.1), ограничена в режиме усиления физическим пределом

< 2.

В общем случае ГВВ – усилителя или умножителя частоты величина , ограничивается пределом

< 2.

Во входной цепи ГВВ выделяют участки: источник возбуждения; промежуток сетка-катод у лампы, база-эмиттер у транзистора; источник смещения с напряжением или .

Мгновенная мощность на участке источника возбуждения, отображаемого в схемах рис.1.1 трансформатором Тр, определяется соотношениями: в ламповом ГВВ и в транзисторном ГВВ. Знак « – » у мгновенной мощности обусловлен противофазностью напряжения и тока на этом участке цепи и указывает на отдачу мощности источником возбуждения во внешнюю по отношению к нему цепь, включающую промежуток сетка-катод у лампы, база-эмиттер у транзистора и источник смещения с напряжением или . Величина отдаваемой источником возбуждения мощности, называемой мощностью возбуждения, определяется выражением

В терминах лампового генератора, учитывая, что получаем

Обратим внимание, что по форме мощность возбуждения определяется подобно колебательной мощности и соответствует мощности гармонического сигнала на резистивной нагрузке.

Очевидно, в транзисторном генераторе

Мощность на промежутке сетка-катод в ламповом ГВВ и на промежутке база-эмиттер в транзисторном ГВВ, соответственно,

Рассматриваемая мощность выделяется на управляющем электроде АЭ: на управляющей сетке у лампы, на базе у транзистора и носит название рассеиваемой мощности на сетке , на базе , соответственно. Как и рассеиваемая на аноде, коллекторе мощность, мощность, рассеиваемая на управляющем электроде, физически обусловливается передачей сетке, базе кинетической энергии электронов, попавших на этот электрод при движении от катода, эмиттера в сторону анода, коллектора. Рассеиваемая на управляющем электроде мощность разогревает его.

Учитывая (1.1), в терминах, например, лампового генератора, получаем для рассеиваемой на сетке мощности

Аналогично, рассеиваемая на базе мощность

Согласно последним соотношениям, выделяемая на управляющем электроде: сетке или базе мощность, равна разности подводимой от источника возбуждения мощности и мощности, расходуемой в цепи смещения, величина которой в случае лампового генератора а в случае транзисторного генератора Таким образом, рассеиваемая на сетке или базе мощность

(*)

Величину расходуемой в цепи смещения мощности можно определить как среднее значение соответствующего интеграла. Так, применительно к ламповому генератору,

Обратим внимание, что в схемах рис.1.1 на участке источника смещения направления напряжения и тока совпадают, что соответствует потреблению мощности этим участком. Потребляемая источником смещения мощность определяется аналогично мощности , отдаваемой источником питания в цепи анода, коллектора. Это неудивительно, так как источники питания анода, коллектора и источники смещения сетки, базы являются источниками постоянного напряжения. Однако, если у источников питания анода, коллектора во внешней цепи ток протекает через АЭ от полюса источника положительной полярности « + » к полюсу отрицательной полярности « – », то у источников смещения во внешней цепи ток протекает через АЭ от полюса источника отрицательной полярности « – » к полюсу положительной полярности « + ». Это различие и обусловливает, что источники питания анода, коллектора отдают мощность, а источники смещения потребляют мощность.

Таким образом, мощность возбуждения ГВВ частично рассеивается на управляющем электроде АЭ: на управляющей сетке лампы или на базе транзистора, а частично затрачивается в цепи источника смещения, что соответствует закону сохранения энергии во входной цепи ГВВ.

Если в схемах рис.1.1 принять положительное смещение, то есть сменить полярность присоединения источников смещения к электродам, то на участке источника смещения направления тока и напряжения будут противоположными, и это будет означать, что источник смещения отдаёт мощность во внешнюю по отношению к нему цепь. Величина отдаваемой источником смещения мощности по-прежнему будет определяться приведенными выше соотношениями: и Эта мощность будет рассеиваться на управляющем электроде: сетке, базе. Полная мощность, рассеиваемая на сетке, базе в этом случае

(**)

Однако, так как в подавляющем большинстве случаев смещение отрицательное,4 то источник смещения не отдаёт, а потребляет мощность от источника возбуждения. Для убедительного подтверждения этого можно привести следующее. Как известно из курса усилительных устройств низкой частоты, и мы об этом также будем говорить в лекции 13, отрицательное смещение может быть подано от специального источника: выпрямителя, батареи, аккумулятора или обеспечено автоматически с помощью резистора в соответствующей цепи.5 Резистор, очевидно, может только потреблять электрическую мощность, но не производить её. При использовании для отрицательного смещения источника: выпрямителя, батареи, аккумулятора мощность или , расходуемая в цепи смещения, идёт «на подзарядку» этого источника, увеличивая его отрицательное выходное напряжение, следовательно, и отрицательное смещение. Последнее объясняется тем, что постоянная составляющая входного тока или протекает против ЭДС источника смещения и создаёт падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Любой реальный источник электрической энергии имеет внутреннее сопротивление конечной величины. Бесконечно малое внутреннее сопротивление источника напряжения означает, что такой источник в состоянии развивать во внешней цепи неограниченную мощность, что физически нереально.

Соотношения (**), как и (*), соответствуют закону сохранения энергии во входной цепи ГВВ.

Отношение колебательной мощности генератора к мощности, затрачиваемой источником возбуждения, определяет коэффициент усиления генератора по мощности. Обозначается чаще всего символом . Таким образом,

Если воспользоваться, например, соотношениями для лампового ГВВ, то можно записать

Правая часть последнего соотношения применима к любому ГВВ, где - коэффициент усиления по напряжению (в общем случае определяется как отношение амплитуды колебательного напряжения, то есть напряжения на выходе, к амплитуде напряжения возбуждения, то есть напряжения на входе); - коэффициент усиления по току (в общем случае определяется как отношение амплитуды выделяемой гармоники тока, то есть амплитуды гармоники тока на выходе, к амплитуде первой гармоники входного тока).

Коэффициент усиления генератора по мощности зависит от схемы ГВВ, типа АЭ и режима его работы. У ламповых ГВВ значение может колебаться в очень широких пределах: от единиц до нескольких десятков. Если сеточный ток отсутствует, то и значение бесконечно. В этом случае ГВВ рассматривается как усилитель напряжения с коэффициентом усиления , имеющим конечное значение. Коэффициент усиления по току у усилителя напряжения имеет бесконечное значение. При конечном значении ГВВ рассматривается как усилитель мощности.6 Значение у ГВВ на биполярных транзисторах обычно невелико и лежит в пределах 5…10. ГВВ на биполярных транзисторах всегда рассматриваются как усилители мощности (в отличие от лампы у биполярного транзистора выходной – коллекторный и входной – базовый токи существуют одновременно, поэтому значения и у такого генератора всегда конечны). ГВВ на полевых транзисторах имеют значения , примерно, как в ламповых генераторах.

Очевидно, желательно иметь генератор с большим значением КПД анодной цепи или КПД коллекторной цепи и с большим значением . Однако, как будет показано в лекции 6, требования получения большого значения КПД и большого значения являются часто противоречивыми и поэтому приходится принимать компромиссное решение.

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 2:

  1. Какие мощности определяют в выходной и входной цепях ГВВ? Уясните их смысл и определение. Запишите все известные вам соотношения. Есть ли различие в определении мощностей в цепях ГВВ на транзисторах n-p-n и p-n-p типа?

  2. Укажите связи между выделяемыми мощностями в цепях ГВВ. Подтвердите их соотношениями. Приведите соотношения, связывающие мощности в выходной цепи ГВВ с использованием КПД анодной цепи , КПД коллекторной цепи .

  3. В чём сходство и в чём отличие между усилителем напряжения и усилителем мощности? Поясните.

  4. Объясните существование физического предела на величину КПД анодной цепи, КПД коллекторной цепи в ГВВ.

  5. В чём проявляется закон сохранения энергии в выходной и входной цепях ГВВ?

  6. В каком случае источник смещения отдаёт мощность, а в каком случае он является потребителем мощности другого (какого?) источника в ГВВ?

  7. Поясните, на что расходуется мощность, потребляемая в цепи смещения ГВВ.

  8. В чём сходство и в чём различие мощностей, связываемых с источником питания анода (коллектора) и источником смещения? Поясните.

  9. Запишите соотношения для коэффициентов усиления по напряжению и по току в обозначениях лампового и транзисторного ГВВ.

  10. Почему ГВВ на биполярном транзисторе всегда рассматривается как усилитель мощности? Поясните.

Соседние файлы в папке лекции по УГФС (1-6)