книги из ГПНТБ / Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие

В большинстве случаев усилители переменного тока работают в условиях, в которых амплитуды переменных составляющих токов и напряжений можно считать малыми.

3.13.7. Междуэлектродные емкости

В приведенных выше эквивалентных схемах не учитывались час­ тичные междуэлектродные емкости, т. е. емкости, существующие между электродами попарно и шунтирующие соответствующие между­

кость между выходным и входным электродами.

На рис. 3.94 дана принципиальная схема каскада резонансного усилителя с общей точкой на катоде, в которой обозначены емкости, вносимые в нее лампой.

кость», действительное как для триода, так и для многоэлектродных

в рабочем режиме лампы практически нет переменных потенциалов той частоты, которую имеет переменное напряжение, приложенное'

квходному электроду при заземленном выходном электроде.

2.Выходная емкость. Это соответственно емкость между выход­ ным электродом и теми электродами и деталями лампы, на которых

212

в рабочем .режиме практически нет переменных потенциалов той час­ тоты, которую имеет переменное напряжение на выходном электроде лампы при заземленном входном электроде.

3. Проходная емкость — это емкость между входным и выходны электродами при всех остальных электродах и деталях лампы, соеди­ ненных вместе и заземленных.

Установим теперь на основании данных определений, каким час­ тичным емкостям в триоде соответствуют CDX, СВых и СПр при схемах с общим катодом и общей сеткой. При общем катоде (см.рис. 3.78,а) входным электродом является сетка, выходным — анод, других элект­

"*пр

В одном случае проходной емкостью является частичная емкость Сас, в друсом — Сак.

Учесть влияние Свх и Спых на работу схемы обычно несложно, так как эти емкости просто входят как дополнительный элемент в состав входной или выходной цепей. В схеме рис. 3.94, например, они прямо добавляются к емкостям соответствующих контуров.

Сложнее вопрос о емкости £ пр. При низких частотах электрические процессы во входной и выходной цепях связаны'только через электри­ ческое поле в лампе. При высоких частотах, однако, в эквивалентной схеме рис. 3.93 между точками С и Л необходимо добавить емкость, равную емкости между выходным и входным электродами. За сч_ет этой емкости, как видно на рис. 3.94, возникает электрическая цепь, по которой энергия переменного тока может переходить из выходной цепи во входную и наоборот, минуя междуэлектродные пространства лампы. Отсюда емкость между выходным и входным электродом и называется проходной. За счет этой емкости, таким образом, между выходной и входной цепью лампы возникает связь. Поток энергии нормальным образом идет от входа к выходу. Так как мощность коле­ баний в выходном контуре лампы обычно значительно больше, чем во входном, то поток энергии через С1:р в большинстве случаев идет от выхода к входу, т. е. в направлении, обратном нормальному. Возникающая между выходной и входной цепью связь является, та­ ким образом, обратной. Наличие обратной связи за счет Спр часто может существенно влиять на работу схем, в одних случаях положи­ тельно, в других — отрицательно. Рассмотрим два характерных при­ мера.

213

1. Ламповый генератор. Под ламповым генератором понимают устройство' с электронной лампой, предназначенное для преобразо­ вания энергии постоянного тока в энергию переменного, обычно вы­ сокой частоты. Нагрузкой в анодной цепи лампы служит колебатель­ ный контур, настроенный на желаемую частоту (рис. 3.95). Пусть лампа в начале будет «заперта» и анодная цепь разомкнута (ключ Кл).

ние лампы заключается в том, чтобы обеспечить подвод этой энергии в нужную фазу колебаний. Лампа, таким образом, выполняет только роль регулятора; непосредственного отношения к генерации колеба­ ний она не имеет, так как она происходит в контуре. Чтобы лампа «отпиралась» всегда в одну и ту же фазу, на ее сетку должно подавать­ ся напряжение той же частоты, что и генерируемых колебаний. Если для питания сетки используются посторонние источники переменного напряжения, но меньшей мощности, то такие генераторы называются генераторами с независимым возбуждением. Однако во многих слу­ чаях требуется, чтобы в схеме поддерживались колебания без посто­ роннего возбуждения. Это достигается тем, что между выходной и входной цепями лампы создается обратная связь: энергия, необхо­ димая для управления лампой, берется от анодного контура и через обратную связь подводится к сетке лампы. Такого рода генераторы называются генераторами с самовозбуждением или автогенераторами. Наиболее распространенным видом обратной связи является индук­ тивная (рис. 3.96,а). Но обратную связь можно осуществить и за счет емкости, включенной между выходным и входным электродами (рис. 3.96,6). Роль этой емкости может выполнять проходная емкость лампы.

2. Усилитель напряжения высокой частоты. Если в генераторах емкость Спр может играть положительную роль, то в усилителях напряжения высокой частоты она отрицательна. Рассмотрим схему каскада резонансного усилителя с учетом емкостей, вносимых лам­ пой (см. рис. 3.94). В этой схеме за счет Спр возникает цепь перемен­ ного тока, проходящая в обход лампы от анодного контура по анод­

214

ной цепи, проходной емкости, входному контуру и обратно через ис­ точник Ей. При работе усилителя на анодном контуре возникает переменное напряжение с амплитудой IamR э, где 1ат — амплитуда переменной составляющей анодного тока, R 3 — эквивалентное сопро­ тивление. контура. Под действием этого напряжения по указанной цепи протекает переменный ток, который мы назовем током обратной

Рис. 3.96. Принципиальная схема автогенератора:

а — с индуктивной обратной связью; 6 — с емкостной обрат­ ной связью

связи / обр. Если предположить, что реактивное сопротивление про­ ходной емкости велико по сравнению с эквивалентным сопротивле­ нием входного контура, то

^обр т ^атп Я э ш ^пр-

Используя (3.254а), это уравнение можно переписать в виде

^обр т ~ р R303 ^ п р U ст>

где Ucm — ампли?уда входного напряжения. Ток / обр, проходя по входному контуру, создает на нем падение напряжения — напряже­ ние обратной связи Дсо6р. Если принять эквивалентное сопротивление сеточного контура равным эквивалентному сопротивлению анодного, то

В теории усилителей доказывается, что если отношение напряже­ ния обратной связи становится больше определенной доли напряже­ ния сигнала, то может произойти самовозбуждение схемы [Л.3.14]. Таким образом, для предотвращения самовозбуждения необходимо, чтобы

где А — коэффициент, меньший единицы, зависящий от схемы уси­ лителя. Для однокаскадного резонансного усилителя А = 0,18. Усло­ вие (3.284) на основании (3.283) можно представить в виде

215

Согласно (3.261) для повышения коэффициента усиления по напря­ жению желательно делать сопротивление нагрузки возможно боль­ шим. Однако из (3.285) следует, что во избежание самовозбуждения его нельзя сделать больше, чем

< 3 - 2 8 6 >

Тогда согласно (3.261) наибольший устойчивый коэффициент уси­ ления, т. е. наибольший коэффициент, при котором еще нет опаснос­ ти самовозбуждения схемы, будет

в усилителе ламп, тем большее усиление от него можно получить на заданной частоте, тем выше предельная частота, до которой он может надежно работать. В этих результатах содержится указанное уже ранее обстоятельство (§ 2.9), что пределы частот, в которых может работать лампа, всегда связаны с отношениями типа S/С. Формула (3.288) строго соблюдается только в случае усилителей, в которых использованы многоэлектродные лампы, так как только тогда выпол­ няются предпосылки, что 1/(юСпр) > # э и Ri~^> R a\ при триодах, особенно когда они включены по схеме с общим катодом, эта формула имеет в основном качественный характер.

Реально действующие в работающих схема'х значения Свх и Свых могут существенно отличаться от тех, которые получаются по данным раньше определениям. Это объясняется тем, что в этих определениях было исключено влияние на них проходной емкости и через обратную связь — сопротивления нагрузки. В связи с этим различают два значения Свх и СВых: статические, т. е. без учета влияния Спр и на­ грузки, и рабочие. Разница между ними имеет практическое значение главным образом в случае входной емкости.

Найдем связь между статической входной емкостью ^-вх.стат И рабочей Свх ра6, определяемой из реактивной составляющей входной проводимости

^ в х = §пх вх>

216

Согласно (3.251) frBX и, следовательно, соСвх.раб можно найти как

Как видно из рис. 3 .9 7 , / с состоит из двух составляющих:

1)тока Гс, идущего под действием напряжения t/BX через ем

кость Свх> С Т й Т

I С Ш^ВХ. стат ^вх>

Учитывая (3.260), путем сравнения с (3.289) получаем

=— 2 0 ,3 .

3.13.8. Электронная лампа как четырехполюсник

Из-за необходимости учета реактивных сопротивлений междуэлектродных емкостей, а также ряда других сопротивлений, пока еще не рассмотренных, эквивалентные схемы при переходе к более

217

высоким частотам ламп становятся довольно сложными. Поэтому во многих случаях целесообразно представить электронную лампу как четырехполюсник (рис. 3.98). Так как эквивалентные схемы ламп, как было показано ранее, всегда содержат активные элементы (гене­ раторы тока или напряжения), то этот четырехполюсник должен быть активным.

Наиболее удобно представить лампу как четырехполюсник, когда амплитуды токов и напряжений настолько малы, что связи между ними можно считать линейными. При малых амплитудах электрон­ ную лампу, таким образом, можно заменить линейным активным че­ тырехполюсником.

Рис. 3.98. К замене лампы четырехполюсником

Формальным основанием для подобной замены может служить аналогичный вид уравнений такого четырехполюсника и переменных составляющих сеточного и анодного токов лампы. Уравнения линей­ ного четырехполюсника, у которого напряжения на входе и выходе приняты за независимые переменные, а токи — за зависимые, т. е. уравнения с использованием У-параметров, имеют вид

ll = Yu U1 + Y l i Uv

(3.291)

где индекс 1 относится к входу, а индекс 2 — к выходу. Соответст­ вующие уравнения для сеточного и анодного токов при малых ампли­ тудах токов и напряжений имеютвид, как было выведено ранее [см. (3.255) и (3.280)],

их подобна.

Возможностью замены лампы четырехполюсником при расчете цепей переменного тока широко пользуются в теории электронных схем.

2 1 8

§ 3.14. ПРИМЕНЕНИЕ ТРИОДОВ

Триоды можно использовать как в качестве усилительных, так и в качестве генераторных ламп.

а. Усилительные триоды. Триоды в принципе пригодны для уси­ ления колебаний любой частоты. Наибольшее число выпускаемых типов триодов предназначено для усиления колебаний низкой часто­ ты. При работе их в усилителях низкой частоты, состоящих из не­ скольких каскадов (рис. 3.99), их параметры должны быть различ­ ными в зависимости от каскада, в котором они стоят. Каскады пред­ варительного усиления, т. е. все кроме последнего, должны давать на выходе возможно большое напряжение, так как лампа последую­ щего каскада в большинстве случаев работает без сеточных токов и

усиления от последнего каскада усилителя, называемого обычно оконечным, требуется мощ­

ность, так как на выходе обычно стоят приборы, работающие лишь при затрате определенной мощности (телефон, реле и т. д.). Для того чтобы получить возможно большую мощность, используемая лампа должна, согласно (3.266), обладать возможно большими £ и р. Если же одновременно стремиться к малым нелинейным искажениям, то р , согласно (3.274), в ущерб величине мощности нельзя делать очень большим, иначе анодно-сеточные характеристики лампы становятся «правыми» и могут появиться сеточные токи. Поэтому триоды для уси­ ления мощности обычно имеют значительно меньшие статические коэф­ фициенты усиления, чем триоды для усиления напряжения (< 20).

Триоды для усиления колебаний высоких и сверхвысоких частот должны согласно (3.288) иметь возможно большую крутизну харак­ теристики и меньшую проходную емкость. Крутизну можно довольно легко увеличить конструктивно, увеличивая площадь катода и уменьшая расстояние сетка — катод.. Сложнее обстоит дело с проход-

219

ной емкостью. В усилителях применяются схемы как с общим катодом, так и с общей сеткой. Наиболее выгодной является схема с общим катодом, так как она обладает большим входным сопротивлением и поэтому требует меньшей затраты энергии в сеточной цепи лампы. Однако при общем катоде проходной емкостью является частичная емкость анод — управляющая сетка. В триоде она представляет со­ бой емкость менаду двумя соседними, сравнительно близко располо­ женными электродами и за счет этого настолько велика, что сущест­ венно ограничивает возможность использования триода для усиления высоких частот при схеме с общим катодом. Поэтому при такой схеме часто приходится отказываться от применения триодов для усиления колебаний высоких частот, несмотря на то, что их использование по сравнению с более сложными лампами, дает ряд преимуществ, на­ пример, меньший расход энергии на питание цепей электродов, мень­ шие помехи и т. д. Если же по какой-либо причине все же необходимо применять триоды, то приходится значительно усложнять схему для того, чтобы нейтрализовать влияние проходной емкости, или перехо­ дить на схему с общей сеткой, как это принято в области СВЧ. При

схемы лампового генератора и резонансного усилителя в принципе очень похожи друг на друга. Отсюда можно предположить, что усло­ вия работы ламп в обоих случаях имеют много общего, хотя режимы и могут быть различны. Особенностью генераторов является то, что у них, в отличие от усилителей, на выходе всегда требуется мощность. Это дает возможность рассматривать ламповые генераторы как усили­ тели мощности высокой частоты. Ограничение в- величине р , вызван­ ное в случае усилителей мощности низкой частоты требованием ма­ лых нелинейных искажений, в случае генераторов отпадает, так как нагрузкой в анодной цепи является колебательный контур. Поэтому для подбора оптимальных параметров генераторных ламп в отличие от усилителей низкой частоты, исходят не из (3 .2 7 4 ), а из (3 .2 6 6 ) . Это означает, что лампы должны иметь возможно большие S и р ; у генера­ торных триодов [а делают до 150 .

Особенно важно большое значение р у ламп, предназначенных для работы в автогенераторах. Пусть сеточное напряжение, обеспе­ чивающее работу автогенератора, будет ис. Если у схемы коэффициент усиления по напряжению равен ku, то под действием ы0 в анодной

Пусть это напряжение через обратную связь создает на входе переменное напряжение

где ko6p — коэффициент пропорциональности, характеризующий сте­ пень обратной связи.

220