3. Динамический режим электровакуумного триода.

До сих пор мы рассматривали физические процессы в трехэлектродной лампе, считая, что изменение напряжения на каком-либо из её электродов не вызывает изменения напряжений на других электродах и приводит лишь к изменению токов в лампе. Такой режим можно осуществить на практике, если цепи питания электродов ламп независимы, а источники э.д.с. и соединительные провода обладают пренебрежимо малым сопротивлением.

Рис. 9. Схема включения нагрузки в анодную цепь триода.

При работе лампы в реальных устройствах в цепи электродов лампы обычно включаются сопротивления. Простейший пример включения нагрузочного сопротивления в анодную цепь триода, работающего в качестве усилителя колебаний, иллюстрируется рис. 9. Цепь накала для упрощения показана двумя стрелками. В цепь сетки включен источник постоянного напряжения, плюс которого заземлен, а также генератор синусоидальных колебаний u_c подлежащих усилению. В анодной цепи лампы имеется источник постоянного анодного напряжения Е_а и последовательно с ним, между его положительным зажимом и анодом лампы, нагрузочное сопротивление Z_a.

Рассмотрим работу приведенной на рис. 9 схемы. Предположим вначале, что сопротивление анодной нагрузки Z_a = 0 и, следовательно, напряжение между анодом и катодом триода равно Е_а. Постоянное отрицательное напряжение — Е_с, приложенное между сеткой и катодом триода и называемое напряжением смещения, определяет рабочую точку А (рис. 12,а). Если к сетке лампы помимо напряжения смещения приложить синусоидальное напряжение , то рабочая точка будет перемещаться по анодно-сеточной характеристике (E_a = const) между точками В и С, соответствующими напряжениям на сетке –Е_с-U_cт и -E_c+U_cт. На рис. 10,а и в переменное напряжение, подводимое к сетке, изображено; в виде отрезка синусоиды. Линия, по которой перемещается рабочая точка в такт с изменением мгновенного напряжения на сетке, называется траекторией рабочей точки. На семействе анодных характеристик лампы (рис. 10,в) она представляет собой отрезок ВС прямой, параллельной оси ординат, так как при изменении u_c напряжение на аноде остается постоянным и равным Е_а. Анодный ток лампы изменяется в соответствии с u_с по синусоидальному закону, как показано пунктиром на рис. 10,б.

Таким образом, в статическом режиме, при Z_a = 0, подводимое к сетке переменное напряжение вызывает синфазное с ним изменение анодного тока; напряжение же на аноде остается неизменным и равным напряжению батареи анодного питания.

Рис. 10. Динамический режим работы триода. а – построение динамической характеристики в координатах I_a -U_c; б – эпюры анодного тока; в – построение динамической характеристики в координатах I_a -U_а.

Рассмотрим далее случай, когда сопротивление в анодной цепи не равно нулю (Z_a > 0). Будем считать вначале, что это сопротивление число активное Z_a = R_a. Согласно закону Кирхгофа для контура, обтекаемого анодным током (рис. 9),

, (21)

где – падение напряжения на сопротивлении R_а; U_a – падение напряжения между анодом и катодом лампы.

Предположим далее, что напряжение отрицательного смещения на сетке остается прежним. Рабочая точка в рассматриваемом режиме переместится на другую анодно-сеточную характеристику, соответствующую анодному напряжению (точка А' на рис. 10,а). Падение напряжения на сопротивлении нагрузки, новое значение анодного тока I_а0 и положение точки А' на семействах характеристик можно определить, воспользовавшись уравнением (21).

Перепишем это уравнение в виде

. (22)

Отсюда видно, что зависимость анодного тока от напряжения на аноде в динамическом режиме в координатах U_a — I_а изображается прямой линией с угловым коэффициентом – (1/R_a). Первый член в правой части (22) – величина постоянная, так как Е_a = const и R_a = const. Прямую (22) легко построить, найдя отрезки, отсекаемые ею на координатных осях: при I_а = 0 U_a = E_a и при U_a = 0 I_a = E_a/R_a. Знак минус перед угловым коэффициентом (1/R_a) определяет наклон прямой в сторону убывающих анодных напряжений. Прямая рис. 10,в называется динамической или нагрузочной характеристикой лампы. Она является геометрическим местом точек, определяющих анодный ток при постоянных значениях Е_а и R_a. Напомним, что статические анодные характеристики лампы служат геометрическим местом точек, также определяющих I_а, но при постоянных значениях U_c и R_a = 0.

В отсутствие переменного напряжения на сетке при данных значениях отрицательного смещения -Е_с, напряжения анодной батареи Е_а и анодной нагрузки Z_a = Ra рабочая точка лампы находится на пересечении динамической характеристики со статической анодной характеристикой при -Е_с = const (точка А' на рис. 10,в).

Проектируя эту точку на ось ординат, легко определить новое значение анодного тока I_а0, текущего через лампу. Перпендикуляр, опущенный из точки А' на ось абсцисс, разделит отрезок ОЕ_а на два. Из треугольника A'DE_a легко видеть, что отрезок DE_a равен I_a0R_a, т. е. определяет величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки R_a. Оставшаяся часть отрезка ОЕ_а согласно (21) равна падению напряжения U_а между анодом и катодом лампы.

Если теперь, при Z_a = R_a, к сетке лампы подвести синусоидальное напряжение , то рабочая точка A' (рис. 10,в) будет перемещаться по динамической характеристике в такт с этим переменным напряжением. Границы ее траектории В' и С будут соответствовать наибольшему ( ) и наименьшему ( ) напряжениям на сетке лампы. Траектория рабочей точки А', а следовательно, и динамическая анодно-сеточная характеристика, по которой происходит перемещение точки А', могут быть построены путем соответствующего переноса точек В' и C' в координатную плоскость I_а – Uc.

Из рис. 10,а видно, что динамическая анодно-сеточная характеристика значительно положе статических характеристик. Поэтому меньше и амплитуда переменной составляющей анодного тока (сплошная синусоидальная кривая на рис. 10,б).

При уменьшении отрицательного напряжения на сетке лампы возрастает анодный ток и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении нагрузки. При этом в соответствии с (21) падает анодное напряжение, препятствуя росту анодного тока, вызванному изменением U_c. И наоборот: увеличение отрицательного напряжения на сетке сопровождается падением I_а и U_R и возрастанием U_a, что препятствует уменьшению анодного тока.

Таким образом, в динамическом режиме в такт с напряжением на сетке, синфазно с ним, изменяется анодный ток и напряжение на сопротивлении нагрузки. Напряжение между анодом и катодом меняется в противофазе с напряжением на сетке, ограничивая изменение анодного тока (рис. 10,в).

Семейство динамических характеристик при различных значениях R_a и заданной рабочей точке имеет вид пучка прямых, проходящих через эту точку. Чем больше R_a, тем положе динамическая характеристика. Предельными случаями являются прямая, параллельная оси ординат (при R_а = 0), и ось абсцисс при разомкнутой анодной цепи (R_a = ).

Рис. 9. 11. Семейство динамических характеристик

при различных значениях R_a.

Рассмотрим работу лампы и ее характеристики, когда в анодную цепь включена некоторая комплексная нагрузка:

. (23)

При этом ток, протекающий в анодной цепи, окажется сдвинутым относительно напряжения на нагрузке u_z на угол

, (24)

. (25)

Анодное напряжение, как и ранее, находится в противофазе с напряжением u_z:

. (26)

Определяя отсюда , подставляя его в (25) и производя необходимые преобразования, получим в координатах i_a—u_а уравнение эллипса, наклоненного к оси абсцисс (рис. 12,в):

. (27)

Центром эллипса является рабочая точка А', так как проекции этой точки на координатные оси соответствуют нулевым значениям переменных составляющих анодного тока i_а и напряжения u_а. Динамическая характеристика в анодно-сеточных координатах (рис. 12,а) также имеет форму эллипса и может быть построена путем переноса точек.

Как видно из рис. 12,б и в, анодный ток не совпадает по фазе с напряжением на нагрузке Z_a. Если Z_a имеет индуктивный характер, рабочая точка перемещается по эллиптической кривой в направлении вращения часовой стрелки и анодный ток (сплошная кривая рис. 12,б) достигает максимума в момент (точка 2), когда напряжение на нагрузке (рис. 12,в), пройдя максимальное значение, уменьшается. Если же анодная нагрузка имеет емкостный характер, то рабочая точка перемещается по динамической кривой в обратном направлении. Анодный ток (пунктирная кривая рис. 12,б) опережает напряжение u_z.

Наклон большой полуоси эллипса относительно оси ординат определяется углом φ_а. При чисто реактивной нагрузке Z_a = X_a большая ось эллипса параллельна оси абсцисс.

Тогда, уравнение (27) приводится к виду

. (28)

При чисто активной нагрузке Z_a = R_a, φ_а = 0° и эллипс вырождается в прямую линию (рис. 12).

Рис. 12. Динамический режим работы триода при комплексной анодной нагрузке. а – динамическая характеристика в координатах I_a -U_c; б – эпюры анодного тока; в – динамическая характеристика в координатах I_a -U_а.

На рис. 13 приведена упрощенная схема усилителя на триоде и сеточная динамическая характеристика триода.

При высоких частотах проходная емкость С_ак создает большое реактивное сопротивление. Для уменьшения проходной емкости помещают экранную сетку С_э между анодом и управляющей сеткой. Она экранирует электроды лампы от поля анода, ослабляя влияние U_a на I_a.

Рис. 13. Простейшая схема усилителя, реализованного на триоде (а) и динамическая сеточная характеристика триода (б)