РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАМП
Начинающим изучать радиотехнику иногда трудно выработать четкое представление о режимах работы лампы в усилителях. Что
такое режим АВ2 и чем он отличается от режима В2 ? Какой режим усиления наиболее выгоден в выходных
каскадах? А в каскадах предварительного усиления — в усилителях напряжения?
Отчего возникают нелинейные искажения и в каком режиме они будут наименьшими? Что такое отсечка тока?
На эти и другие вопросы, относящиеся к затрагиваемой теме, в упрощенном виде отвечают помещаемые ниже рисунки
с подписями. Они помогут запомнить то, что очень часто забывается вскоре после прохождения материала в радиокружках и при
самостоятельном ознакомлении с радиотехникой.
Анодно-сеточная характеристика лампы, как мы уже знаем2, выражает зависимость анодного тока Iа
от напряжения на сетке Uc при неизменном постоянном напряжении Ua на аноде. Имея такую
характеристику (рис. 1), можно определить, чему равен анодный ток при любом напряжении на сетке; при Uc — О, например, /а
= /а0 = 8,6 ма. Для меньших анодных напряжений характеристика располагается правее, а для больших —
левее рассмотренной нами характеристики, обозначенной на рис. 1 сплошной жирной линией.
Сделаем отрицательное напряжение на сетке настолько большим, чтобы сетка отталкивала от себя все электроны обратно к
катоду, совершенно не пропуская их к аноду. Поток электронов обрывается, анодный ток делается равным нулю. Лампа «запирается».
Напряжение на сетке, при котором происходит «запирание» лампы, называется напряжением запирания (обозначено Uс.зап).
Для взятой нами характеристики Uс.зап = — 9 в. «Отпереть» лампу можно уменьшением
отрицательного напряжения на сетке или же увеличением анодного напряжения.
Установив постоянное напряжение на аноде, можно менять анодный ток Iа от нуля (Iа = 0) до максимума
(Iа = Iнас) изменением напряжения на сетке в пределах от Uс.зап
до Uс.нас. нас (рис. 3). Воздействие сеточного напряжения на поток электронов — исключительно удобная возможность управления величиной
анодного тока, в особенности если учесть, что это воздействие осуществляется почти мгновенно, с очень малой инерцией.
Будем непрерывно менять напряжение на сетке, делая его то положительным, то отрицательным. С этой целью подведем к сетке
переменное напряжение с амплитудой Umc, называемое напряжением возбуждения лампы. График этого
напряжения (синусоида) нанесен на оси времени t, идущей вниз от нуля (рис. 4). Анодный ток будет пульсировать —
периодически увеличиваться и уменьшаться — с частотой, равной частоте изменения напряжения возбуждения. График пульсации
анодного тока, повторяющий по своей форме график напряжения возбуждения, нанесен вдоль горизонтальной оси времени t вправо
от характеристики. Чем больше величина Umc, тем в больших пределах изменяется анодный ток (сравните на
рис. 4 Umc1 и Imа1
c Umc2 и
Imа2.
Точка а на характеристике, соответствующая среднему(нулевому) значению напряжения на сетке и величине тока покоя
в анодной цепи, называется рабочей точкой.
Что произойдет, если в анодную цепь лампы включить резистор Ra? Через него
будет проходить анодный ток Iа, вследствие чего на нем получится падение напряжения URa, пульсирующее с
частотой напряжения возбуждения и повторяющее все изменения
тока. Пульсирующее напряжение состоит из двух составляющих: постоянного напряжения Ur и переменного напряжения
UR с амплитудой Uma. При правильно выбранном сопротивлении резистора Ra
амплитуда переменной составляющей напряжения Uma оказывается больше Umc, т. е. осуществляется
усиление переменного напряжения. Отношение Uma к Jmc называется коэффициентом усиления
схемы.
Если усиление, даваемое одной лампой, недостаточно, то усиленное первой лампой напряжение подают ко второй лампе, а
от второй — к третьей и т. д. Так осуществляется усиление каскадами. На рис. 6 приведена упрощенная схема трехлампового усилителя.
На рис. 7 показана такая же характеристика лампы, как и на рис. 4, только без верхнего и нижнего плавных изгибов. Это
— идеализированная характеристика. Сравните рис. 4 и 7 и Вы увидите, к чему приводит наличие изгибов на реальной характеристике.
Они вызывают в анодной цепи искажения формы кривой усиленных колебаний, а эти искажения недопустимы, в особенности когда они большие.
Громкоговоритель, присоединенный к усилителю, работающему с искажениями, воспроизводит хриплые звуки, речь
становится неразборчивой, пение — неестественным и т. п. Такие искажения, обусловленные криволинейностью или, как принято
говорить нелинейностью ламповой характеристики, называют нелинейными. Их не будет, если характеристика строго
линейна: здесь график колебаний анодного тока в точности повторяет график колебаний напряжения на сетке.
Характеристики большинства усилительных ламп в своей средней части прямолинейны. Напрашивается вывод: использовать не
всю характеристику лампы вместе с изгибами, а только ее прямолинейный средний участок (рис. 8). Это избавит усиление от нелинейных
искажений. Чтобы это осуществить, напряжение на сетке не должно превышать в сторону отрицательных значений — Uc1,
а в сторону положительных значений + Uc2. Величина анодного тока при этом будет меняться в суженных
пределах: не от Iа = 0 до Iа = Iнас (рис. 3),
а от Ia1 до I(рс2- 8). В этих пределах ламповая характеристика почти совершенно прямолинейна,
искажений почти не получится, но зато лампа использована не до пределов своих возможностей, ее к. п. д. окажется низким.
В тех случаях, когда необходимо получить неискаженное усиление, с этим обстоятельством приходится мириться.
К сожалению, указанной выше причиной нелинейных искажений дело не ограничивается. В моменты,- когда сетка заряжена положительно,
она притягивает к себе электроны, отнимая некоторое их количество от общего потока, направленного к аноду. Благодаря этому
в цепи сетки возникает сеточный ток. Этот ток, проходя через внутреннее сопротивление того источника переменного напряжения,
которое подается на сетку, создает на этом сопротивлении падение напряжения.
Вследствие этого напряжение на зажимах источника, а значит, и на сетке лампы уменьшается. Такое уменьшение получается
тем более резко выраженным, чем больше положительное напряжение на сетке. В результате при положительных импульсах сеточного
напряжения импульсы анодного тока будут уменьшенными, т. е. опять появляются искажения формы анодного тока. Избавиться
от этих искажений можно: в процессе усиления напряжение на сетке никогда не должно быть положительным, и даже лучше, если
оно вообще немного не доходит до нуля (рис. 9). Тогда сеточного тока совершенно не будет. Это требование ведет к еще большему
сокращению длины используемой части характеристики: правее линии ВГ — токи сетки, левее линии АБ — изгиб
характеристики. Остается только небольшой участок характеристик, при использовании которого
можно полностью избавиться от искажений в лампе; к.п.д. при этом становится еще меньше.
Но как использовать этот участок? Если к сетке подвести лишь напряжение с амплитудой Umc, как на рис.
5 и 7, то неизбежен заход в правую область, в область сеточных токов. Подведем к сетке постоянное отрицательное напряжение
Uc0 такой величины, чтобы рабочая точка сместилась влево по характеристике и оказалась как раз посредине
участка МН (рис. 10). Затем подадим на сетку переменное напряжение с амплитудой Umc. Заход в правую
область будет устранен, если величина Umc не превысит Ul0. Работая при таких условиях,
лампа не будет вносить искажений. Этот режим работы лампы получил название режима А. Батарея, напряжение которой
смещает по характеристике рабочую точку, называется батареей смещения, а ее напряжение Uc0 — напряжением
смещения.
Среди других режимов низкочастотного усиления режим А — самый неэкономичный: при нем только в отдельных случаях
к.п.д. достигает 30—35% а вообще он бывает 15—20%. Но этот режим — самый «чистый» режим, с наименьшими искажениями. Его
применяют главным образом при световом питании в маломощных усилительных каскадах (до 2—3 вт), где к. п. д. не имеет
особо важного значения. Пренебрегая внесением незначительных нелинейных искажений, необнаруживаемых при прослушивании
звуковой программы, можно включить и нижний изгиб в рабочий участок МН характеристики (рис.
14). Такой режим лампы
еще сохраняет название режима А.
В учебниках встречается такое определение усиления режима А: это режим, при котором лампа работает без отсечки
анодного тока. На рис. 12 показано, что такое отсечка. Амплитуда напряжения возбуждения Umz настолько
велика, что в течение некоторой части периода изменения этого напряжения лампа «запирается» — ток через лампу прекращается.
Нижние части синусоиды пульсаций анодного тока не воспроизводятся и как бы отсекаются — отсюда и название «отсечка». Отсечка
может быть не только снизу, но и сверху («верхняя отсечка», см. рис. 17), когда наибольшее значение анодного тока должно
было бы превысить ток насыщения лампы.
Широкое распространение получила двухтактная схема усилителя, работающего в режиме
А. В этой схеме использованы две
одинаковые лампы. Напряжение возбуждения подается так, что когда одна сетка заряжается положительно, другая заряжается
отрицательно. Благодаря этому возрастание анодного тока одной лампы сопровождается одновременным уменьшением тока другой
лампы. Это гораздо легче представить себе, если одну характеристику расположить в перевернутом виде под другой: сразу становится
понятным, как напряжение («раскачка») действует на токи в лампах (рис. 13). В результате переменные напряжения, возни-каюдие
на двух половинках первичной обмотки трансформатора, включенные в анодные цепи ламп, складываются и на всей обмотке получается результирующее переменное
напряжение удвоенной величины, т. е. Uma — Umal + Uma2.
Двухтактная схема работает с меньшими нелинейными искажениями, чем однотактная.
Рассмотрим теперь такой случай: на сетку лампы подано напряжение смещения Uс0=
Uс.зап- Тем самым
рабочая точка смещена на самый низ характеристики. Лампа «заперта», ее анодный ток равен нулю. Если к лампе подвести напряжение
возбуждения с амплитудой Umc, то в анодной цепи появятся импульсы тока в виде «половинок периодов» с максимальным
значением /а. макс. Иначе говоря, кривая усиливаемых колебаний исказится до неузнаваемости: срежется
вся ее нижняя половина (рис. 14). Такой режим может показаться совершенно непригодным для низкочастотного усиления: слишком
уж велики искажения. Но подождем делать вывод о непригодности.
Возьмем не одну лампу, а две и заставим их работать попеременно: одну — от одного полупериода напряжения возбуждения,
а другую -от другого, следующего за первым. Каждая лампа в отдельности будет воспроизводить свою половину кривой, а совместным
их действием будет воспроизведена полностью вся кривая. Но как для этого соединить лампы?
По двухтактной схеме, изображенной на рис. 13, только на сетку каждой из ламп в этой схеме придется подать напряжение
смещения Uz0 =: Uc.зап. Пока напряжение возбуждения не подается, обе лампы
«заперты» и их анодные токи равны нулю. Но вот подано напряжение возбуждения, и лампы поочередно начинают «отпираться» и
«запираться», работая импульсами, толчками (см. левую часть рис. 15).
Такой режим усиления, применяемый только для двухтактных схем, получил название режима
В.
Если характеристики ламп совершенно прямолинейны, лампы в точности одинаковы и отсечки у каждой из них выбраны правильно,
то искажений не будет.
Но в реальном режиме В неизбежны нелинейные искажения из-за нижних изгибов характеристик. Это заставляет во
многих случаях отказываться от использования режима В, вообще наиболее экономичного из всех
режимов низкочастотного усиления.
Какой же режим может быть рекомендован для усилителей низкой частоты?
Режим А, как мы теперь знаем, мало экономичен и его применение в
мощных усилителях не всегда оправдывается. Он хорош только для маломощных каскадов. Случаи использования режима В также ограничены.
Но есть режим, занимающий промежуточное положение между режимами А и В; это режим А В. Если
в процессе усиления получается заход в область сеточных токов, то к обозначению режима прибавляется индекс 2, если же работа
производится без токов сетки —индекс 1. Так различают режимы В1, B2,
АВ1 и АВ2. В этих режимах АВ1 и АВ2,
как и в режимах В1 иВ2, лампы работают с отсечкой
анодного тока, но рабочая точка на характеристике находится правее и выше,
чем в режимах В1. В моменты пауз токи через лампы не
прекращаются, хотя они и невелики (Iа1 и Iа2). Положение рабочей точки РТ (рис. 16) определяется таким условием:
результирующая характеристика АБВГ ламп, работающих в двухтактной схеме (для
однотактных схем режим АВ вообще непригоден), должна быть как можно
прямолинейнее. В то же время токиIа1 и Iа2 желательно иметь малыми, поскольку
их величина в значительной степени определяет к.п.д. Этим условиям
удовлетворяет положение рабочей точки РТ, указанное на рис. 16. Режим АВ2 более
экономичен, чем режим АВ1 (к. п. д. в режиме АВ2 достигает 65%, тогда как в
режиме АВ1—лишь 50%); он применяется в каскадах большой мощности (более 100
вт).
В каскадах мощностью до 100 вт рекомендуется применять режим АВ1. Искажения в
режиме АВ2 заметно больше, чем в режиме АВ1
Известен
еще режим С. Он характерен тем, что
на сетку лампы подается отрицательное
напряжение смещения
Uc0 > Uc.
зап. В моменты пауз лампа «заперта»; она «отпирается» только для того, чтобы
пропустить кратковременный импульс тока, длящийся
менее половины периода. Обычно
Umc по
абсолютному значению больше
Uc0,
вследствие
чего осуществляется заход в область
сеточных токов и даже имеет место верхняя
отсечка (как показано на рис. 17 для
Umc1).
Искажения
в режиме С настолько велики, что этот
режим непригоден для низкочастотного усиления. Но он наиболее экономичный из
всех режимов
вообще (к.п.д. доходит до 75—80%) и поэтому
применяется для усиления высокочастотных
колебаний в радиопередающих устройствах,
где нелинейные искажения не имеют такого
значения, как при низкочастотном усилении.
Часть [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
|