Содержание

Усилительный каскад с триодом

Основная схема рабочего режима — схема усилительного каскада с общим катодом (рис. 18.2), аналогичная каскаду с общим эмиттером для биполярного или с общим истоком для полевого транзистора.

К сетке лампы подводится переменное Напряжение от источника усиливаемых колебаний ИК. Точки сеточной цепи, к которым подключен этот источник, являются входом каскада. Подобно усилительному каскаду с транзистором ламповый каскад усиливает мощность колебаний.

Рассмотрим усиление синусоидальных колебаний не, очень высокой частоты, при которой допустимо пренебречь влиянием межэлектродных емкостей лампы.

Напряжение источника колебаний (рис. 18.3, а) выражается уравнением

u_вх = U_mвх sin ωt. (18.2)

На сетку подается также постоянное отрицательное напряжение Е_g, называемое напряжением сеточного смещения (сеточным смещением, напряжением смещения или просто смещением). Оно «смещает» («сдвигает») работу лампы в область отрицательных сеточных напряжений для устранения сеточного тока. Этот ток вызывает искажения усиленных колебаний и нагружает источник колебаний за счет чего переменное напряжение сетки уменьшается. Если напряжение смещения Е_g по абсолютному значению не меньше амплитуды усиливаемого напряжения U_mg, т. е. |Е_g|≥ U_mg, то сеточное напряжение все время отрицательно и сеточного тока не будет.

Рис. 18.2. Схема усилительного каскада

Результирующее напряжение сетки получается пульсирующим (рис. 18.3,6) и соответствует уравнению

u_g = Е_g+ U_mg sin ωt, (18.3)

где U_mg = U_mвх.

Под действием этого напряжения анодный ток пульсирует. Когда переменное напряжение отсутствует, каскад находится в режиме покоя и анодный ток имеет постоянное значение I_a0 (ток покоя). Переменное напряжение вызывает изменение тока. Если работа происходит в пределах линейного участка анодно-сеточной характеристики, то анодный ток изменяется по закону изменения сеточного напряжения. В анодном токе появится синусоидальная переменная составляющая с амплитудой I_ma (рис. 18.3, в):

i_a = I_a0 + I_ma sin ωt. (18.4)

Ток создает на нагрузке R_H падение напряжения u_R = i_aR_H, и, следовательно,

Рис. 18.4. Схемы с автоматическим смещением

изменения u_R повторяют изменения анодного тока. Поэтому график изменения тока может в другом масштабе изображать изменение u_R:

u_R = U_R0 + U_mR sin ωt, (18.5) где U_R0 = I_a0R_H и U_mR = U_mвых = I_maR_H. (18.6)

Анодное напряжение изменяется в противофазе с величинами и_g и i_a (рис. 18.3, г). В режиме покоя U_a0 = Е_а - U_R0. При усилении анодное напряжение изменяется по закону

и_a= U_a0 - U_ma sin ωt. (18.7)

Переменные напряжения на аноде и на нагрузке, определенные относительно катода, равны, т. е. U_ma = U_mR. Таким образом, выходным напряжением является переменное анодное напряжение и выходными зажимами — анод и катод. Если на выходе не должно быть постоянного напряжения, то между анодом и выходным зажимом включают разделительный конденсатор С_р (см. рис. 18.2). Через него передается усиленное переменное напряжение, но для постоянного напряжения он равносилен разрыву цепи. Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы его сопротивление на низшей рабочей частоте было во много раз меньше сопротивления нагрузки R_H, подключенной к выходным зажимам. Тогда потеря переменного напряжения за счет конденсатора С_р ничтожна.

Анодный источник шунтируется конденсатором С₂, сопротивление которого на низшей рабочей частоте во много раз меньше R_H. Этим устраняется влияние внутреннего сопротивления анодного источника, так как можно считать, что на конденсаторе, нет падения переменного напряжения. Часто конденсатор С₂ не показывают, считая, что он есть в источнике напряжения E_а (например, конденсатор, сглаживающий пульсации в выпрямителе). Источник сеточного смещения также шунтирован конденсатором C₁.

В усилительных каскадах часто применяется автоматическое смещение, при котором напряжение смещения заимствуется от источника E_а. В провод катода включен резистор R_к, называемый катодным резистором или резистором автоматического смещения и шунтированный конденсатором С_к (рис. 18.4, а). Постоянная составляющая катодного тока создает на резисторе R_к падение напряжения, которое является напряжением смещения:

E_g = I_к0 R_к. (18.8)

Это напряжение приложено плюсом к катоду, а минусом (через источник колебаний ИК или резистор R_g) — к сетке. Из формулы (18.8) можно определить сопротивление резистора R_K. Например, если надо получить E_g = — 4 В при I_к0 = 5 мА, то R_к = E_g / I_к0 = 4 : 5 = 0,8 кОм = 800 Ом.

Конденсатор С_к имеет достаточно большую емкость и сглаживает пульсации напряжения на резисторе R_к от переменной составляющей катодного тока. Действие этого конденсатора аналогично действию конденсатора, сглаживающего пульсации в выпрямителе. Можно считать, что переменный катодный ток проходит через С_к, а через R_к протекает только постоянный ток.

Рис. 18.5. Сеточное напряжение усилительного каскада для различных режимов цепи сетки

Если источник колебаний не проводит постоянный ток или на нем есть постоянное напряжение, то применяют схему по рис. 18.4, б. В ней колебания подаются на сетку через разделительный конденсатор С_р, а напряжение смещения - через резистор R_g с большим (обычно сотни килоом и более) сопротивлением, для того чтобы входное сопротивление каскада было высоким. Этот резистор служит также для того, чтобы на сетке не накапливались в большом количестве электроны. Если резистора R_g нет, то цепь сетки разомкнута и попадающие на сетку электроны могут зарядить ее до такого отрицательного потенциала, что лампа запирается. А через резистор R_g заряд сетки стекает. Поэтому R_g иногда называют сопротивлением утечки сетки.

Резистор R_g должен иметь большое сопротивление, т. е. R_g >> R_ИК Но чрезмерно большое сопротивление R_g недопустимо. Если на сетку придет большой импульс положительного напряжения, например от помехи, то сетка притянет большое число электронов. На ней накапливается значительный отрицательный заряд. При очень большом сопротивлении R_g этот заряд стекает медленно и лампа будет некоторое время в запертом состоянии.

Выясним вредное влияние сеточного тока. Предположим, что усилительный каскад работает без отрицательного смещения сетки. Тогда при отрицательной полуволне переменного сеточного напряжения тока сетки нет, источник ИК работает вхолостую и напряжение сетки равно ЭДС этого источника. Но при положительной полуволне возникает сеточный ток, который создает на сопротивлении источника колебаний R_ИК падение напряжения. В этом случае источник работает с нагрузкой и напряжение сетки меньше его ЭДС. Для положительной полуволны амплитуда сеточного напряжения

U´_mg = Е_mg - I_gmaxR_ИК, (18.9)

где Е_mg - амплитуда ЭДС источника колебаний и I_gmax — максимальное значение сеточного тока.

Сопротивление R_ИК часто бывает значительным. Весьма заметно тогда и падение напряжения внутри источника.

В результате переменное напряжение сетки станет несинусоидальным, т. е. возникнут искажения. Амплитуда у положительной полуволны будет меньше, чем у отрицательной (рис. 18.5, а). Чем больше амплитуда переменного сеточного напряжения, тем больше ток сетки и тем сильнее искажения. Они вызваны нелинейностью сопротивления R_g-к участка сетка — катод, который подобен диоду. При положительном напряжении сетки это сопротивление не более 1000 Ом, а при отрицательном стремится к бесконечности. Источник колебаний нагружен на такое нелинейное сопротивление, поэтому его напряжение искажается. Вследствие искажений напряжения сетки на выходе каскада будет искаженное усиленное напряжение.

Наибольшие искажения получаются в том случае, когда сопротивление R_ИК во много раз больше сопротивления R_g-к. Тогда при положительной полуволне напряжения источник колебаний работает в режиме короткого замыкания и напряжение сетки близко к нулю. Например, если R_ИК = 100 кОм, a R_g-к = 1 кОм, то при отрицательной полуволне напряжение сетки равно ЭДС источника, а при положительной полуволне оно составляет около 1 % ЭДС, т. е. почти вся ЭДС теряется на R_ИК Практически напряжение состоит из одних отрицательных полуволн (положительные полуволны срезаны).

Рис. 18.6. Искажения анодного тока при верхней и нижней отсечке

Подобный режим применяется в ограничителях, но для усиления без искажений он недопустим.

Если сеточный ток устранен с помощью отрицательного напряжения смещения, то сопротивление участка сетка — катод очень велико и источник колебаний работает в режиме холостого хода в течение всего периода. Напряжение сетки все время равно ЭДС источника. Амплитуды обеих полуволн этого напряжения одинаковы и имеют наибольшие возможные значения. В этом случае участок сетка — катод не нагружает источник, т. е. не потребляет от него мощность. Следовательно, источник колебаний может иметь любую, даже малую мощность.

Таким образом, при работе усилительного каскада с отрицательным смещением, устраняющим сеточный ток, искажений за счет этого тока нет. Если же амплитуда переменного напряжения сетки больше сеточного смещения (U_mg > | Е_g |), то на некотором отрезке периода возникает сеточный ток, который создает искажение. Произойдет срез той части положительной полуволны переменного сеточного напряжения, которая «заходит» в положительную область (рис. 18.5, б).

Колебания анодного тока также исказятся (рис. 18.6). Верхняя часть положительной полуволны анодного тока будет срезана (верхняя отсечка). Если при эгом часть отрицательной полуволны сеточного напряжения запирает лампу, то появляется и нижняя отсечка анодного тока. Колебания анодного тока могут стать трапецеидальными вместо синусоидальных.

Рис. 18.7. Подача входного напряжения через трансформатор

Рис. 18.8. Трансформаторный (а) и дроссельный (б) усилительный каскад

Если в источнике колебаний имеется постоянное напряжение, то оно не должно попадать на сетку лампы. Тогда усиливаемое напряжение подают через трансформатор (рис. 18.7) или разделительный конденсатор (см. рис. 18.4, б). Напряжение смещения подводится к сетке через вторичную обмотку трансформатора или сеточный резистор R_g, имеющий сопротивление от сотен килоом до единиц мегаом.

Ламповые усилительные каскады могут применяться для усиления колебаний различных частот. Для низких частот обычно применяются резистивные каскады (см. рис. 18.4, а), а также трансформаторные и реже дроссельные (рис. 18.8).

Рис. 18.9. Резонансные усилительные каскады

Усилители радиочастоты, как правило, бывают резонансными, т. е. нагрузкой в анодной цепи служит резонансный контур. Входная часть таких каскадов выполняется по любой из рассмотренных схем, т. е. источник колебаний может быть подключен к лампе непосредственно (рис. 18.9, а), через трансформатор (см. рис. 18.7) или конденсатор (см. рис. 18.4, б). Часто в цепь сетки также включается резонансный контур (рис. 18.9, б).

Информация

Продолжение