книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

тической энергии потока электронов, движущихся в электрическом поле внутри лампы. При постоянных анодном и сеточном напря­ жениях— Еа и Eg—• плотность потока электронов и ускорение их движения неизменны (анодный ток постоянен) и процесс преобра­ зования отсутствует. Если в контуре почему-либо возникнут коле­ бания, то под их воздействием анодное напряжение начинает изме­ няться, увеличиваясь в один иолупериод и уменьшаясь в другой. Это создает в вакуумном пространстве анод—катод лампы изме­ няющееся высокочастотное электрическое поле, оказывающее вли­ яние на поток электронов. В таких условиях движущиеся электро­ ны то ускоряются, то тормозятся переменным электрическим по­ лем колебательной системы. Известно из курсов «Физика» и «Электровакуумные и полупроводниковые приборы, что если дви­ жение электронов тормозится в электрическом поле, то они отдают часть своей кинетической энергии источнику торможения — коле­ бательной системе и, наоборот, при ускорении (возрастании кине­ тической энергии) они отбирают часть накапливаемой энергии от колебательной системы — источника торможения.

Таки.м образом, принцип генерации колебаний основан на вза­ имодействии электронного потока с электрическим полем, создава­ емым колебательной системой. Переменное магнитное поле сосре­ доточено вне лампы. Оно возбуокдается током контура.

Для поддержания незатухающих колебаний поступление энер­ гии в контур при торможении электронов должно быть всегда больше, чем ее расход на ускорение потока. Эта разность энергии запасается в контуре и расходуется на сопротивлении потерь: только при этом условии обеспечивается поддержание неизменной амплитуды тока (напряжения) в контуре.

Эффективность процесса преобразования зависит от величины разности энергии, запасенной и возвращенной контуром. Для уве­ личения коэффициента полезного действия этого процесса необхо­ димо увеличить до максимума плотность электронного потока в лампе при торможении и уменьшать плотность до отсечки, т. е. полного прекращения тока при ускорении. В часть периода, небла­ гоприятную для пополнения энергии контура, лампа должна быть заперта. Плотность потока электронов (величина переменного анодного тока) регулируется в лампе управляющей сеткой. Часто­ та управляющего напряжения должна точно соответствовать соб­ ственной частоте колебательной системы. В реальных условиях ча­ стота управляющего напряжения (возбуждения) определяется за­ дающим генератором и не меняется, а резонансная частота конту­ ра подбирается равной частоте возбуждения, т. е. контур настра­ ивается в резонанс. Как будет видно из дальнейшего, благоприят­ ное соотношение фаз тока и напряжения (большой ток при тормо­ жении и малый — при ускорении электронов) в генераторе полу­ чается при настроенном контуре автоматически.

Принципиальные схемы ламповых генераторов с внешним воз­ буждением показаны на рис. 4.2 и 4.3. Основными электрическими цепями в них являются цепь управляющей сетки (входная) и анод-

51

ная цепь (выходная). В генераторах на экранированных лампах имеются дополнительные цепи — экранирующей сетки у тетрода и пентода и защитной сетки у пентода. В схемах рис. 4.2 и 4.3 обе

цепи—входная (участок управляющая сетка—катод) и выходная (участок анод—катод лампы) — имеют общую точку — катод, ко­ торая всегда заземляется. Такая схема включения лампы носит название схемы с общим катодом. На ее примере ниже рассмот­ рены все основные положения работы лампового генератора с не­ зависимым возбуждением.

4.2. ЦЕПЬ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СЕТКИ

Цепь управляющей сетки, или входная, состоит из двух участков — внутреннего, междуэлектродного пространства сетка— катод CgK (рис. 4.4) и внешнего, образованного включенными ме­ жду выводами сетки gi и катода к элементами схемы.

Р ис. 4.4. Схема включения элемен­

тов входной цепи генератора

Во внешней цепи действуют два напряжения — переменное на­ пряжение внешнего генератора (возбудителя), изменяющегося по закону косинуса.

которое называется напряжением возбуждения, и постоянное от­ рицательное — напряжение смещения — Ее, определяющее положениерабочей точки на характеристике лампы. Точки приложения этих напряжений видны на рис. 4.2, 4.3, 4.4.

52

В этих схемах элементы внешней цепи обеспечивают одновре­ менную и независимую подачу внешнего возбуждающего напря­ жения ug и постоянного напряжения смещения Eg во входную цепь генератора.

На схеме рис. 4.4, называемой параллельной, напряжение сме­ щения подается на сетку лампы через разделительный дроссель Lp, являющийся большим сопротивлением для приложенного к не­ му возбуждающего напряжения иЁ. Благодаря этому дроссель Lp. практически не влияет на режим внешнего возбудителя, но удобно обеспечивает подачу на управляющую сетку генератора постоян­ ного напряжения смещения Eg. Даже при наличии сеточных токов, потери напряжения на нем невелики, так как провод дросселя об­ ладает малым активным сопротивлением.

Таким образом, во входной цепи между сеткой и катодом дей­ ствует суммарное, результирующее напряжение

при начальной фазе колебания <р = 0.

Оно создает внутри лампы электрическое поле, управляющее ее электронным потоком Д

Форма огибающей результирующего напряжения eg, как это следует из (4.2), точно повторяет форму переменного возбуждаю­ щего напряжения ug. На рис. 4.5 для наглядности показаны графи­ ки, поясняющие изменения результирующего напряжения при раз­ личных величинах напряжений Ug и Eg. Во всех рассматриваемых случаях возбуждающее напряжение является гармоническим с уг­ ловой частотой со = 2л;Д На графиках ординаты мгновенных значе­ ний результирующих напряжений eg отмечены вертикальной штри­ ховкой. В точках В этих графиков мгновенные значения результи­ рующих напряжений eg равны величине смещения, так как в эти моменты возбуждающее напряжение ug равно нулю при переходе от положительных значений к отрицательным и наоборот.

Границы изменений величин мгновенных результирующих на­ пряжений отмечены точками Л (А', А") и Б (Б', Б").

что при косинусоидальном законе изменения напряжения возбуж­ дения соответствует значениям текущей фазы ,coL=0, 2л и т. д.

*) В дальнейшем амплитудные значения переменных напряжений б>дут обо­ значаться 'большими буквами U с 'соответствующими индексами; амплитуды пе­

ременных токов — большими буквами /; мгновенные значения токов и напря­ жений — милыми буквами i, и; результирующие напряжения от сложения пос­ тоянных и переменных напряжений — малыми 'буквами е.

5В

Графики 2 и 4 при значениях Ugi< \E gi\ и UgtI< \E gu | харак­ теризуют режимы, в которых результирующие напряжения eg со­ храняют отрицательные -значения. При этом исключена возмож­ ность появления тока сетки во входной цепи генератора.

Р ис. 4.5. Графики, поясняющие форму результирующего напряже­ ния ее (и>I)

При 'положительных значениях результирующих напряжений -(на управляющей сетке относительно катода), т. е. при eg>0, появ­ ляется ток, образованный электронами, попадающими на сетку' с катода. Этот ток называется конвекционным током сетки. Соглас­ но законам электротехники его направление во внешней цепи при­ нято считать от катода к сетке, как это показано на рис. 4.4. Ха­ рактер сеточного тока — импульсный, так как участок между сет­ кой и катодом обладает свойствами односторонней проводимости, аналогичными диоду. Поэтому ток сетки существует только при по­ ложительных значениях результирующих напряжений eg>0.

Во входной 'цепи, кроме конвекционного тока, существует реак­ тивный через емкость CgK. Источником этих токов (конвекционно­

сетка—катод точно соответствует частоте возбуждающего напря-

жения. Так, например, если частота возбуждающего напряжения

54

4.3.АНОДНАЯ (ВЫХОДНАЯ) ЦЕПЬ

Ввыходной цепи генератора завершается процесс полу­ чения электромагнитных колебаний с заданными частотой и мощ­ ностью. С этой цепью непосредственно связывается полезная внеш­ няя нагрузка генератора. Этой нагрузкой могут быть либо антен­ на передатчика, либо входная цепь последующего каскада, отли­

чающиеся в общем случае комплексным характером сопротивле­ ния. Из основ радиотехники известно, что вносимое в контур со­ противление влияет на его резонансное сопротивление « настрой­ ку. Подробнее эти вопросы излагаются в гл. 6 при рассмотрении сложных схем выходных каскадов радиопередатчиков.

Как видно из рис. 4.6, анодная цепь, подобно сеточной, состоит из двух участков: внутреннего — междуэлектродного пространства

^Зн.нагр.

(выходной) ■цепи генера­ тора

анод—катод и внешнего, заключенного между выводами анода и катода лампы. Во внешнем участке включены источник постоян­ ного тока Еа и замкнутая цепь, состоящая из ивдуктишоети и емкости Ск. Кроме того, в выходной цепи имеются и вспомогатель­ ные элементы, разделяющие переменную и постоянную составля­ ющие анодного тока, а именно Cg, L q, носящие название блокиро­ вочных или разделительных.

Подключение замкнутой цепи контура к точкам 1—2 (см. рис. 4.6) образует совместно с лампой и источником ЕЛ систему парал­ лельного колебательного контура, являющуюся наиболее распро­ страненным видом анодной нагрузки генератора. Параллельный контур, будучи настроенным па частоту переменной составляющей анодного тока, представляет для него весьма большое сопротивле­

ние активного характера R<s = ------—----- . Это замечательное свой-

55

Результирующее напряжение eg, действующее между сеткой и катодом, управляет электронным потоком лампы и создает в ее анодной цепи изменяющийся анодный ток. В отсутствие перемен­ ного напряжения на входе генератора (ug= 0) через его внешнюю цепь протекает постоянный анодный ток, называемый током покоя (рис. 4.7). Величина этого тока /пок определяется по статической

Р ис . 4.7. Изменение анодного тока в рабочем (динамическом) режиме

характеристике лампы, построенной для рабочего анодного напря­ жения £а при заданном смещении Eg. Мощность, потребляемая от источника анодного напряжения Е&, в этом случае равна Ро= =/пок£а- Она полностью затрачивается на нагревание анода лам­ пы, так как потерями мощности на малом активном сопротивле­ нии катушки индуктивности контура можно пренебречь.

В линейном колебательном режиме генератора при наличии возбуждающего напряжения высокой частоты ug=U gcos at в его входной цепи анодный ток будет изменяться по закону напряже­ ния возбуждения, как это показано на рис. 4.7. Форма анодного тока пульсирующая, и он может быть представлен как сумма по­ стоянной составляющей тока / ао и переменной составляющей с ам­ плитудой / аi:

Переменная составляющая анодного тока iai создает на сопро­ тивлении нагрузки R се падение напряжения, которое носит назва­ ние колебательного напряжения на контуре

ик = / а1 R&cos со t.

В правильно составленной схеме генератора полезное падение напряжения, создаваемое переменной составляющей анодного то­ ка / аЬ должно действовать на участке 1—2 схемы рис. 4.6, т. е. на

56

зажимах контура. Исключение из схемы, например, блокировочно­ го конденсатора Cq, создающего практически короткое замыкание

Цепь тока / аi в этом случае замыкается через блокировочный дрос­ сель Ьъ, оказывающий значительное сопротивление переменному току высокой частоты. Падение напряжения на зажимах дроссе­ ля Le оказывается бесполезным.

Колебательная мощность, развиваемая лампой генератора, про­

Эта мощность высокочастотных колебаний в нагрузке генерато­ ра получилась в результате преобразования энергии источника по­ стоянного тока. Мощность, которую расходует этот источник, про­ порциональна постоянному току и напряжению:'

Процесс преобразования, естественно, связан с потерями энер­ гии. Часть мощности Ра 'рассеивается на аноде лампы в виде тепла

Равенство .(4.6) называется уравнением энергетического балан­ са анодной цепи генератора.

Эффективность преобразования энергии анодного источника характеризуется коэффициентом полезного действия (кпд), опре­

Этот коэффициент часто называют электронным кпд генерато­ ра. Он характеризует, в какой мере электроны, летящие в лампе от катода к аноду, эффективно .преобразуют свою кинетическую энер­ гию в энергию колебаний контура. Как следует из (4.7), кпд за­ висит от отношения переменной составляющей анодного тока 7ai к постоянной / а0 и отношения амплитуды переменного напряжения UKк постоянному Е&.

К ламповому генератору предъявляются требования работы с высоким кпд. Повысить кпд можно, увеличивая эти отношения. Воз­ можности увеличения отношения напряжений будут рассмотрены ниже. Отношение токов зависит от формы анодного тока, который определяется колебательным режимом лампы.

По характеру изменения анодного тока различают три основ­ ных колебательных режима — А, В и .С.

57

В режиме А ток в анодной цепи, изменяясь по величине, про­ текает, не прерываясь, в течение полного периода действующего напряжения возбуждения (см. рис. 4.7). Недостатком такого ре­ жима, как известно, является низкий кпд, обусловленный тем, что амплитуда переменной составляющей анодного тока /аi не может быть больше постоянной составляющей /п0. Режим А широко при­ меняется в усилителях электрических сигналов, имеющих нена­ строенную (апериодическую) нагрузку, так как только при нем возможно осуществить неискаженное воспроизведение формы входного сигнала.

Врадиопередающих устройствах режим А применяется только

вмаломощных предварительных каскадах усиления колебаний вы­ сокой частоты, когда в качестве нагрузки применяется не колеба­ тельная система (контур), а активное сопротивление (резистор). Такие каскады носят название апериодических усилителей.

Врежимах В и С анодный ток лампы имеет прерывистый ха­ рактер в виде импульсов различной длительности. Так, в режиме

В при рабочем смещении Eg= E 'g анодный ток существует полови­ ну периода напряжения возбуждения, в режиме С при Eg> E 'g — меньше половины этого периода. Импульсы анодного тока в этих режимах периодически повторяются с частотой напряжения воз­ буждения. За один полный период (2я) возбуждающего напряже­ ния через внутриламповый участок анод—катод проходит один им­ пульс тока. Таким образом, число импульсов, прошедших через лампу e l с (или частота следования импульсов), будет равно ча­ стоте возбуждающего напряжения.

При достаточной линейности рабочей (динамической) характе­ ристики лампы (участок ВС на рис. 4.8) форма импульсов может считаться косинусоидальной.

58

Основным достоинством режимов В и С является относительноменьшее по сравнению с режимом А потребление энергии от источ­ ника анодного питания. Только в режимах В и С, т. е. при импульс­ ном характере тока, можно получить значения амплитуды пере­ менной составляющей анодного тока /ai, превышающие величину постоянной составляющей /ао. Это станет очевидным при рассмот­ рении свойств косинусоидального импульса.

4.4. КОСИНУСОИДАЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ

тока в импульсе) /амакс и углом нижней отсечки импульса 0. Их значения показаны на рис. 4.8.

Угол нижней отсечки 0 представляет собой часть периода ко­ лебания, выраженный в градусах (или радианах), заключенный между амплитудным значением и моментом прекращения (отсеч­ ки) анодного тока лампы, т. е. от 1ам акс до ta=0. Двойное значе­ ние угла отсечки 20 характеризует ту часть периода, в течение ко­ торой проходит один полный импульс тока.

Так, например; при угле отсечки 0= 60° анодный ток протекает через лампу в течение 120° а отсутствует в течение 240°|^-^-j.

Графические построения, приведенные на рис. 4.8, дополняют представления об угле отсечки -0 и образовании импульса анодного тока. На круговой диаграмме гармонического колебания 3 сплош­ ной линией выделена часть периода, в течение которой существует анодный ток. Остальная часть периода, в течение которой ток от­ сутствует, показана пунктиром. Угол отсечки 0 зависит от выбора рабочего смещения Eg и от амплитуды напряжения возбужде­ ния Ug.

Периодическая последовательность симметричных косинусо­ идальных импульсов тока может быть представлена в виде беско­ нечного гармонического (тригонометрического) рядаФурье, явля­ ющегося суммой постоянного тока / ао и переменных составляющих косинусоидальных токов (гармоник) с амплитудами /аь /аг. / аз, /ап и частотами, кратными основной частоте импульсов, т. е. 2щ, Зсо, ...,псо.

59-

Выражения для постоянной составляющей и амплитуд гармоник согласно математической теории разложения симметричных периодических функций в ряд Фурье имеют соответственно следующий вид:

я

Для их вычисления необходимо располагать аналитическим выражением мгновенных значений тока косинусоидального импульса

*'a = f (И О-

Мгновенные значения тока как функции текущего фазового угла a>t (или

времени) могут быть определены в соответствии с рис. 4.8 следующим образом. Найдем произвольное значение мгновенного анодного тока i&(a>t) при

со<<0, пропорциональное отрезку ед. Оно равно:

поскольку отрезок бв, равный отрезку ог, зависит от величины рабочего смеще­

условиях, если бы лампа обладала линейной характеристикой и пропускала ток в обоих направлениях. Она равна произведению амплитуды возбуждения на

Коэффициенты разложения косинусоидального импульса для выбранного угла отсечки 0 вычислять нет необходимости. Имеются подробные таблицы an(Q) (для л = 0, 1, 2, 3 ...), по которым они легко определяются (см. приложение 2).

60