Содержание

Входное сопротивление и потери энергии

Для каждого усилительного каскада большую роль играет входное сопротивление лампы, т. е. то сопротивление, которое лампа оказывает источнику усиливаемого напряжения.

В усилительном каскаде, изображенном в общем виде на рис. 24.7, генератор усиливаемого напряжения Г, имеющий ЭДС и внутреннее сопротивление соответственно Е и R_r, нагружен входным сопротивлением лампы. Это сопротивление обычно имеет активную и емкостную составляющие. Будем рассматривать только активное входное сопротивление и обозначим его R_вх.

Всегда желательно, чтобы сопротивление R_вх было как можно большим. В идеальном случае R_вх = ∞, тогда цепь сетки разомкнута и сеточного тока нет. Следовательно, нет потери напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и вся его ЭДС передается на сетку (U_g = Е). В этом случае генератор может иметь сколь угодно малую мощность. Для получения R_вх = ∞ необходимо, чтобы электроны не попадали на сетку и не создавали сеточный ток, т. е. напряжение смещения Е_g должно превышать амплитуду усиливаемого переменного напряжения: |Е_g|≥U_mg. Практически такой, близкий к идеальному, режим работы получается только на достаточно низких частотах, когда можно пренебречь емкостным током, проходящим через входную емкость лампы.

Рис. 24.7. Усилительный каскад

Рис. 24.8. Наведенный ток в цепи сетки триода

На высоких частотах сопротивление R_вх не равно бесконечности. Чем оно меньше, тем больше переменный ток 1_g в цепи сетки. С увеличением этого тока растет потеря напряжения на внутреннем сопротивлении генератора R_r и уменьшается полезное напряжение на сетке, так как U_g = Е — I_gR_r. Растут также потери мощности Р_вх = I²_g R_вх в самом входном сопротивлении и полная мощность, которую должен развивать генератор.

Усилительный каскад принято характеризовать коэффициентом усиления K, показывающим, во сколько раз усиливается напряжение. На высоких частотах важен также коэффициент усиления мощности K_p, показывающий, во сколько раз усиливается мощность:

K_p, = Р_вых/Р_вх, (24.4)

где Р_вых — полезная мощность, отдаваемая лампой.

При малом входном сопротивлении мощность Р_вх может настолько возрасти, что K_p станет равен единице или будет еще меньше. Очевидно, нецелесообразно применять усилители, дающие усиление мощности меньше чем в 2 — 3 раза. С переходом на СВЧ входное сопротивление резко уменьшается и усиление мощности незначительно или даже совсем отсутствует. Уменьшение входного сопротивления на СВЧ объясняется возникновением наведенных токов в цепи сетки.

В зависимости от соотношения времени пролета и периода колебаний, расстояний катод — сетка и сетка — анод, а также напряжений электродов процессы в триоде могут протекать различно, но все же в любом случае из-за инерции электронов на СВЧ возникают большие наведенные сеточные токи, приводящие к резкому уменьшению входного сопротивления. Чтобы это было ясно, рассмотрим упрощенно процессы, протекающие в триоде в некотором частном случае.

Пусть на сетку подано переменное напряжение в виде положительных импульсов прямоугольной формы и запирающее напряжение смещения (рис. 24.8, а). При этом напряжение сетки остается все время отрицательным, т.е. электроны на сетку не попадают. Пусть время пролета электронов t_g-к на участке сетка — катод равно времени пролета t_a-g на участке анод — сетка и несколько меньше половины длительности импульса. На рисунке для этого режима показаны графики наведенных токов в цепях триода (рис. 24.8,б и в) и распределение электронного потока, т. е. конвекционного тока, в разные моменты времени (рис. 24.8, г). Сетку триода будем считать настолько густой, что участки сетка — катод и анод — сетка можно рассматривать как отдельные диоды.

До момента t₁ лампа заперта и токов нет. В момент t₁ лампа отпирается, начинается движение электронов от катода (точнее, от «электронного облачка» около катода) к сетке и наведенный ток i₁ в проводе сетки возрастает. Такой же ток i_к, равный i₁ появляется и в проводе катода. Если в момент t₂ промежуток сетка — катод уже наполовину заполнен электронами, то ток i₁ равен некоторому среднему значению. Далее он продолжает возрастать, достигая максимального значения в момент t₃, когда электронный поток дойдет до сетки. Электроны на сетку не попадают, а пролетают сквозь нее и движутся к аноду. Этот удаляющийся от сетки поток электронов создает в проводе сетки наведенный ток i₂, противоположный по направлению току i₁ Будет также индуцироваться ток i_a в проводе анода, равный току i₂.

Возрастающий ток i₂ в момент t₄ имеет некоторое среднее значение и достигает максимального в момент t₅, когда весь промежуток анод — сетка заполняется движущимися электронами. До момента t₆ оба тока i₁ и i₂ постоянны и равны друг другу, а в момент t₆ лампа запирается, и поэтому электроны перестают уходить от катода. Но электронный поток, заполняющий межэлектродные промежутки, продолжает движение.

На участке сетка — катод электроны будут двигаться по инерции и приближаться к сетке. Число их в этом промежутке убывает, и ток i₁ уменьшается. В момент t₇ он имеет какое-то среднее значение, а в момент t₈ спадает до нуля, так как промежуток сетка — катод «очищается» от электронов. После этого начинает уменьшаться число электронов в промежутке анод — сетка и соответственно ток i₂. Он снижается до некоторого среднего значения в момент t₉, а в момент t₁₀, когда уже все электроны попадают на анод, становится равным нулю.

Таким образом, в цепи сетки возникают два импульса наведенного тока, противоположные по направлению (рис. 24.8, б). Результирующий (суммарный) наведенный ток сетки (рис. 24.8, в) представляет собой переменный ток. На рис. 24.8, а и в штриховыми кривыми показаны первые гармоники напряжения и тока сетки. Видно, что первая гармоника наведенного тока сетки несколько опережает по фазе первую гармонику напряжения. Это означает, что наведенный ток сетки имеет активную составляющую, а также реактивную емкостного характера. Последняя добавляется к обычному емкостному току в цепи сетки, обусловленному входной емкостью лампы. Поскольку суммарный емкостный ток увеличивается, то можно сказать, что инерция электронов приводит к некоторому возрастанию входной емкости.

Однако самое неприятное следствие инерции электронов состоит в появлении активной составляющей сеточного тока. Она обусловливает входное активное сопротивление, которое уменьшается с повышением частоты и снижает коэффициент усиления мощности. Активное входное сопротивление характеризует потерю энергии источником колебаний, включенным в цепь сетки. Эта энергия переносится активной составляющей наведенного тока от источника колебаний к электрическому полю и передается электронам, которые увеличивают кинетическую энергию и расходуют ее на нагрев анода. Если же лампа работает на более низких частотах и временем пролета электронов можно пренебречь, то при сеточном Напряжении, показанном на рис. 24.8, а, импульсы токов i₁ и i₂ будут иметь такую же прямоугольную форму и длительность. Поскольку эти токи равны и противоположны по направлению, то суммарный сеточный ток равен нулю. Следовательно, никакого расхода энергии источником колебаний в этом случае нет.

Влияние инерции электронов на работу лампы было рассмотрено при подаче на сетку положительных импульсов напряжения прямоугольной формы. Но и в других, более сложных случаях также возникает активный наведенный ток в цепи сетки, т. е. вследствие инерции электронов лампа имеет активное входное сопротивление. Если у переменного напряжения на сетке лампы не только положительные, но и отрицательные импульсы, то последние создают тормозящее поле, которое возвращает часть электронов на катод. Они ускоряются полем, и, следовательно, энергия источника колебаний расходуется в данном случае также на дополнительный нагрев катода бомбардирующими его электронами.

При синусоидальном переменном напряжении все процессы протекают сложнее, но на СВЧ обязательно возникает активный наведенный ток в цепи сетки, на создание которого расходуется энергия источника колебаний. Эта энергия в конечном итоге теряется на дополнительный нагрев анода и катода конвекционным током. Действительно, положительная полуволна сеточного напряжения, ускоряя электроны, летящие от катода, дает им дополнительную энергию, а во время отрицательного полупериода сеточного напряжения сетка отталкивает электроны, движущиеся к аноду, и они тоже получают дополнительную энергию. В результате электроны бомбардируют с большей силой анод, который дополнительно нагревается. Кроме того, электроны, не пролетающие сквозь сетку, а поворачивающие обратно на катод, также отталкиваются сеткой во время отрицательного полупериода и получают еще некоторую энергию. Эти электроны бомбардируют катод и вызывают его дополнительный нагрев. Таким образом, источник колебаний в течение всего периода отдает энергию электронам, а они расходуют ее на бомбардировку анода и катода.

Приведенное рассмотрение электронных процессов приближенно, но оно дает представление о происходящих явлениях. Точный анализ работы ламп СВЧ сложен.

Теория дает следующую формулу для результирующего наведенного тока сетки I_g при переменном сеточном напряжении U_g:

I_g = kSf²t²_g-кU_g, (24.5)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции и постоянных напряжений электродов; S — крутизна лампы; t_g-к — время пролета электрона в промежутке катод — сетка.

Отсюда для входного сопротивления получается выражение

R_вх = U_g/I_g = l/(kSf²t²_g-к). (24.6)

Для данной лампы и данных питающих напряжений на электродах величины k, S и t_g-кпостоянны. Заменяя их одним коэффициентом и переходя от частоты к длине волны, получаем

R_вх = аλ² (24.7)

Расчет коэффициента а весьма сложен и неточен. Поэтому он определен для многих ламп экспериментально и тогда учитывает влияние на входное сопротивление не только инерции электронов, но и других явлений, вызывающих потери энергии. Для некоторых приемно-усилительных ламп, работающих при нормальных питающих напряжениях, коэффициент а составляет несколько сотен. Если а = 400 Ом/м² и λ = 50 см, то R_вх = 400·0,5² = 100 Ом.

Как видно, входное сопротивление получается весьма малым, и это может привести к недопустимому снижению усиления. Действительно, коэффициент усиления каскада с пентодом

K≈SR_H, (24.8)

где R_H — сопротивление анодной нагрузки.

Если в качестве нагрузки применяется резонансный контур, то параллельно к нему подключено входное сопротивление лампы следующего каскада, и поэтому общее сопротивление нагрузки окажется меньше R_вх. Для усилителя, работающего на волне длиной 50 см с лампами, имеющими S = 5 мА/В и R_вх = 100 Ом, можно считать, что R_н ≈ 100 Ом. Тогда К ≈ 5·10^-3·100 = 0,5. Следовательно, каскад вместо усиления дает ослабление.

Приведенный расчет сопротивления R_вх справедлив только для малых переменных напряжений. При больших амплитудах переменных напряжений (в генераторах и передатчиках) расчет значительно усложняется.

Потери энергии в лампах на СВЧ вызываются и другими причинами. Вследствие поверхностного эффекта увеличивается активное сопротивление электродов и их выводов. По поверхности металлических проводников проходят значительные токи, вызывающие бесполезный нагрев. Также увеличиваются потери во всех твердых диэлектриках, находящихся под воздействием переменного электрического поля, например в стекле баллона.

Рис. 24.9. Форма СВЧ-колебаний при работе лампы в импульсном режиме

Большие потери энергии в лампах ухудшают КПД усилителей и генераторов СВЧ, приводят к чрезмерному нагреву самих ламп и резко снижают добротность контуров, подключенных к лампам. Контуры в виде коаксиальных резонансных линий или объемных резонаторов имеют высокую добротность, доходящую до тысяч и десятков тысяч. Но когда эти контуры присоединяют к лампе, то их добротность резко падает (часто на порядок и ниже). Это явление аналогично уменьшению добротности обычного контура, когда он шунтирован сравнительно малым сопротивлением.

Продолжение

Информация