лекции по УГФС (1-6) / Лекция 3

Лекция 3

Динамические характеристики и формы импульсов выходного тока генераторной лампы и транзистора. Классификация режимов работы ГВВ по напряжённости и нижнему углу отсечки выходного тока АЭ.

Величина и форма выходного тока АЭ ГВВ определяются значениями и фазовыми соотношениями напряжений, действующих на электродах АЭ, что в самом общем виде можно представить следующими функциями:

для триода

для тетрода (*)

для пентода

для биполярного транзистора

где - соответственно, ток анода, коллектора; - соответственно, напряжение на аноде, на первой (управляющей) сетке, на второй (экранной) сетке,¹ на третьей (защитной или антидинатронной) сетке относительно катода; - соответственно, напряжение на коллекторе и базе относительно эмиттера.

Зависимости (*) применимы, в частности, к семейству статических ВАХ лампы и транзистора, обычно снимаемым экспериментально.

При работе генератора изменение выходного тока АЭ (и вообще тока любого электрода) происходит не по закону статических ВАХ, а по закону динамической характеристики (ДХ), под которой понимают, как уже отмечалось в лекции 1, геометрическое место точек в семействе статических ВАХ, соответствующих мгновенным значениям тока в зависимости от мгновенных значений напряжений на электродах АЭ.

Строятся ДХ с использованием выражений (1.1), (1.2) и семейства статических ВАХ.

При известных значениях для лампового ГВВ и для транзисторного ГВВ, задавая значения фазы ωt в пределах (0…2π) радиан² через определённые интервалы, можно определить из (1.1), (1.2) мгновенные напряжения или . Каждой паре значений или соответствует определённое значение анодного или коллекторного тока, которое может быть найдено по статическим ВАХ. В случае тетрода, пентода необходимо использовать семейство статических ВАХ, снятых при выбранных значениях напряжений , которые, обычно, остаются неизменными при работе генератора. Геометрическое место точек на статических ВАХ, соответствующее найденным значениям тока, образует ДХ. ДХ строятся аналогичным образом для тока любого электрода АЭ в соответствующем семействе статических ВАХ.

В качестве примера рассмотрим построение ДХ анодного тока генераторной лампы в анодной и в анодно-сеточной системах координат. Для определённости примем напряжение смещения равным напряжению запирания, то есть .³ Амплитуду напряжения возбуждения и амплитуду колебательного напряжения примем такими, чтобы напряжения и приходились на основную область семейства статических ВАХ анодного тока лампы, что возможно, в частности, если принять , а .

Мгновенные напряжения на сетке и аноде описываются (1.1), (1.2), согласно которым

(3.1)

Характер изменения мгновенных напряжений (3.1) аналогичен представленным на рис.1.2 и рис. 1.4, соответственно.

На рис.3.1 показаны статические ВАХ анодного тока в соответствующих системах координат, с осями напряжений которых совмещены соответствующие оси рис. 1.2 и рис.1.4. Обратим внимание, что в данном случае на рис.1.2 следует считать .

Точки 1 – 9 на рис.3.1 определяются при значениях текущей фазы ωt от 0 до 2π с шагом π/4 рад. Соответственно координаты точек согласно (3.1):

точка 1: ωt = 0;

,

точка 2: ωt = π/4;

,

точка 3: ωt = π/2;

,

точка 4: ωt = 3π/4;

,

точка 5: ωt = π;

.

После точки 5 мгновенные напряжения на электродах начинают изменяться в обратную сторону, и происходит совпадение точек: 6 – 4, 7 – 3, 8 – 2, 9 – 1. Затем всё повторяется. При принятом смещении в точке 3 при движении к ней от точек 1, 2 происходит прекращение анодного тока и при дальнейшем движении к точкам 4, 5 лампа остаётся закрытой, несмотря на то, что мгновенное напряжение на аноде нарастает. Дело в том, что мгновенное напряжение на сетке в это время уменьшается быстрее, то есть, становится более отрицательным, нежели нарастает напряжение на аноде.

Обратим внимание, что на рис.3.1 из всего семейства статических ВАХ анодного тока лампы представлены только четыре характеристики в пределах крайних значений напряжений на аноде и на сетке . Характеристики за пределами этих напряжений не представляют интереса, так как при работе генератора напряжения на электродах лампы не выходят за указанные пределы. Внутри этих пределов, чтобы не загружать рисунок ненужными элементами, представлены только две характеристики, удовлетворяющие координатам промежуточных точек 2 (также 8) и 3 (также 7).

Как видно из рис.3.1, ДХ имеет наклонный участок. Очевидно, что наклон и положение ДХ зависят от соотношения мгновенных напряжений на электродах лампы. А так как колебательное напряжение на аноде зависит от величины нагрузки в его цепи , то и наклон ДХ будет зависеть от величины этой нагрузки.

Статические ВАХ токов АЭ в общем случае не являются линейными и строго параллельными друг другу, поэтому и ДХ, в свою очередь, не будут прямолинейными.

По ДХ можно построить форму тока электрода АЭ. Для этого надо от напряжений перейти ко времени t или фазе ωt, то есть осуществить представление ДХ во временной области. На рис.3.2 показана форма анодного тока, соответствующая ДХ рис.3.1, где цифрами обозначены соответствующие точки ДХ. Как видно, в рассматриваемом примере анодный ток представляет периодическую последовательность импульсов, симметричных относительно периода сигнала возбуждения, о чём мы говорили в лекции 1. Подобные импульсы будут характерны и для тока сетки. Аналогичные импульсы токов будут и в транзисторном ГВВ в силу сходства статических ВАХ ламп и транзисторов. Как отмечалось в лекции 1, импульсы токов можно характеризовать двумя параметрами: максимальным значением (амплитудой) и углом нижней отсечки. Более подробно эти параметры обс уждаются в лекции 4.

Если при выбранных напряжениях построить импульсы, например, анодного тока для конкретной лампы, то можно провести расчёт параметров режима анодной цепи ГВВ на этой лампе. Расчёт проводится так называемым графоаналитическим методом, в основе которого лежит разложение в ряд Фурье графически заданной функции, каковой в данном случае оказывается анодный ток. Определив постоянную составляющую и амплитуду первой гармоники анодного тока, при известных напряжениях по формулам лекции 2 находятся все мощности в анодной цепи ГВВ и КПД анодной цепи. Аналогично можно провести расчёт параметров режима сеточной цепи ГВВ. Также можно рассчитать параметры режима ГВВ на транзисторе.

Как видно из рис.3.1,а, ДХ анодного тока в системе координат имеет участок с отрицательной крутизной, когда увеличению напряжения на аноде соответствует уменьшение анодного тока, а уменьшению напряжения – увеличение тока. Именно наличие у ДХ анодного тока участка с отрицательной крутизной делает возможным производить усиление и ряд других преобразований сигнала в ГВВ на лампе. При этом лампа может рассматриваться как отрицательное сопротивление.

Всё сказанное выше применимо и к ГВВ на транзисторе в силу уже отмечавшегося сходства статических ВАХ ламп и биполярных транзисторов.

Если в рассмотренном выше примере построения ДХ анодного тока изменять амплитуду колебательного напряжения , то есть изменять коэффициент использования анодного напряжения ξ, то можно построить семейство ДХ. При этом каждой ДХ соответствует своя форма импульсов анодного тока.

На рис.3.3 представлены ДХ и формы импульсов анодного тока лампы при разных значениях ξ (на рис.3.3 показаны только половины импульсов). Режим ξ = 0 соответствует короткому замыканию нагрузки – контура в анодной цепи лампы. ДХ в этом случае, как уже отмечалось в лекции 1, в рассматриваемой системе координат представляет отрезок вертикальной прямой (ДХ I на рис.3.3). Если мгновенное напряжение на аноде не заходит в область, где начинается резкое уменьшение анодного тока, то наклонные участки ДХ почти линейны и таковыми они остаются пока минимальное напряжение на аноде не станет меньше некоторого напряжения (критическое напряжение на аноде). Таковыми являются ДХ II, III. При в верхней части ДХ появляется небольшой загиб, что приводит к уплощению формы импульса анодного тока (ДХ IV на рис.3.3). При загиб в верхней части ДХ увеличивается и на вершине и мпульса тока появляется впадина. Таковыми являются ДХ V, VI на рис.3.3.

ДХ VI соответствует значение ξ = 1, при этом анодный ток на месте вершины импульса (ωt = 0) опускается до нуля. Если ξ > 1, то минимальное напряжение на аноде заходит в область отрицательных значений

и мгновенное напряжение остаётся в этой области в течение некоторого времени. Анодный ток в эти моменты равен нулю и появляется с заходом мгновенного напряжения на аноде в область положительных значений. Импульсы анодного тока при этом оказыв аются раздвоенными, как показано на рис.3.4, где представлены обе половины импульсов.

В случае биполярного транзистора при ξ > 1 происходит открывание коллекторного перехода и появляется коллекторный ток обратного направления⁴, который существует до тех пор, пока сохраняется . Появление коллекторного тока обратного направления приводит к уменьшению полезной мощности , увеличению мощности возбуждения , что весьма нежелательно в ГВВ. Поэтому режим с ξ > 1 в ГВВ на биполярном транзисторе по схеме рис.1.1,б не применяется. По причине открывания коллекторного перехода такой режим физически не может быть реализован в схеме. В остальном формы импульсов коллекторного тока подобны импульсам анодного тока генераторной лампы.

По форме импульсов выходного тока различают режимы работы АЭ и, соответственно, режимы ГВВ.

Типовыми формами импульсов анодного тока лампы и коллекторного тока транзистора считают:

1. остроконечный или косинусоидальный импульс (при этом в большинстве случаев ξ = 0…0,8);

2. уплощенный косинусоидальный импульс (ξ = 0,8…0,9);

3. импульс с впадиной (ξ = 0,9…1);

4. раздвоенный импульс (ξ > 1).

ГВВ в режиме усиления мощности в большинстве случаев работают с уплощенной формой импульсов или с импульсами, имеющими небольшую впадину.

Остроконечный импульс выходного тока АЭ, какими являются импульсы I, II, III на рис.3.3, соответствует так называемому недонапряжённому режиму ГВВ. Импульс тока, имеющий впадину, соответствует перенапряжённому режиму ГВВ. Такую форму имеют импульсы V, VI на рис.3.3. Промежуточный режим между недонапряжённым и перенапряжённым режимами называется критическим. Ему соответствует импульс тока с уплощенной вершиной. Таковым является импульс IV на рис.3.3. Критическому режиму ГВВ соответствует критический коэффициент использования анодного, коллекторного напряжения . Режим ГВВ с ξ > 1 называется сильноперенапряженным. В случае лампового ГВВ такому режиму соответствует раздвоенный импульс анодного тока рис.3.4. В транзисторном ГВВ сильноперенапряженный режим с раздвоенным импульсом коллекторного тока, как отмечалось выше, физически не реализуется.⁵

Следует отметить, что в перенапряжённом режиме ГВВ ток сетки и ток базы больше, чем в недонапряжённом, что делает более тяжёлым режим работы сетки и базы. Последнее, как раз, и нашло своё отражение в классификации режимов ГВВ: недонапряжённый, перенапряжённый.

Режимы работы АЭ в ГВВ различают также по нижнему углу отсечки выходного тока АЭ. Это режимы классов А, В, С, АВ.⁶

Режим класса А имеет место при θ = 180°; режим класса В – при θ = 90°; режим класса С – при θ < 90°; режим класса АВ – при 90° < θ < 180°.

В теории генераторных устройств режим работы с углом отсечки выходного тока АЭ θ = 180° называют режимом работы колебаниями 1-го рода, а режим работы с θ < 180° – режимом работы колебаниями 2-го рода.

Как будет показано в дальнейшем (лекции 6 и 27), режим класса А обусловливает самый низкий КПД генератора, но, зато, самым высокий коэффициент усиления. Поэтому данный режим применяется в маломощных генераторах – усилителях, где КПД существенной роли, как правило, не играет, а большое значение коэффициента усиления весьма желательно.⁷ В мощных ГВВ используются режимы с θ < 180°, причём наиболее широко с θ ≤ 90°, то есть режимы классов В и С, которые обеспечивают КПД существенно выше, нежели режим класса А.

Во всех указанных выше режимах ГВВ форма импульса выходного тока АЭ в той или иной мере близка к косинусоидальной. В то же время применяются генераторы с прямоугольной или треугольной формой импульса выходного тока АЭ (соответственно режим класса D и режим класса Е). Рассмотрение таких режимов выходит за рамки настоящих лекций.

Вопросы для самоконтроля знаний по теме лекции 3:

1. Дайте определение динамической характеристики (ДХ) тока электрода АЭ в ГВВ. Уясните его.

2. Попробуйте построить ДХ анодного тока при разных соотношениях между принимаемым напряжением смещения и напряжением запирания при принятом напряжении питания анода . Постройте ДХ сеточного тока, а также коллекторного и базового токов.

3. Постройте ДХ анодного тока в системе координат при короткозамкнутом контуре . Сравните её с ДХ при наличии настроенного контура.

4. Попробуйте построить ДХ анодного тока для какой-нибудь конкретной генераторной лампы, статические ВАХ которой вам доступны. Поменяйте исходные значения напряжений и посмотрите, как изменятся ДХ.

5. Попробуйте построить ДХ и формы импульсов анодного тока, подобные приведенным на рис. 3.3, при других соотношениях между принимаемым напряжением смещения и напряжением запирания .

6. Что положено в основу классификации режимов ГВВ? Приведите принятую классификацию режимов ГВВ по напряжённости и нижнему углу отсечки выходного тока АЭ.

7. Попробуйте построить форму импульса коллекторного тока при значении ξ > 1.

8. Вспомните известный из математики численный метод определения коэффициентов ряда Фурье функции, заданной графически.

9. Не обращаясь к предыдущей лекции, запишите известные вам соотношения для определения мощностей в выходной и входной цепях лампового и транзисторного ГВВ. Запишите формулу для определения КПД анодной (коллекторной) цепи. Сверьте записанные выражения с имеющимися в лекции 2. Сделайте выводы по результатам своих записей.

10. Предложите соотношение для определения крутизны наклонного участка ДХ анодного (коллекторного) тока в каждой из используемых систем координат. В чём различие?

1 Вторая сетка предназначена играть роль экрана между анодом и управляющей (первой) сеткой, чтобы уменьшить ёмкостную связь между ними. Отсюда и название – экранная сетка. Однако часто её называют также экранирующей сеткой.

2 Очевидно, значения фазы можно задавать в пределах (0…360)°.

3 Такая запись означает, что напряжение смещения по величине равно напряжению запирания и также отрицательно относительно катода.

4 Более подробно обсуждается в лекции 4.

5 Возможна реализация режима со значением ξ > 1 в транзисторном ГВВ-усилителе за счёт использования в коллекторной цепи, наряду с полезной первой гармоникой, одной или двух высших гармоник. Однако значение коллекторного тока ниже нуля при этом не опускается. Высшие гармоники используются и в ламповых ГВВ с целью повышения КПД анодной цепи за счёт увеличения ξ.

6 В русскоязычной речи называются, соответственно: А, Б, Ц, АБ.

7 Именно для реализации режима класса А в транзисторном ГВВ приходится применять положительное смещение

30