Содержание

Общие сведения,
классификация
Устройство и работа диода
Устройство и работа триода
Электронная эмиссия
Термоэлектронные катоды
Особенности устройства
электронных ламп
Физические процессы
Закон степени трех вторых
Анодная характеристика
Параметры
Рабочий режим. Применение
диода для выпрямления
переменного тока
Основные типы
Физические процессы
Токораспределение
Действующее напряжение и
закон степени трех вторых
Характеристики
Параметры
Особенности
Усилительный каскад с
триодом
Параметры усилительного
каскада
Аналитический расчет и
эквивалентные схемы
усилительного каскада
Графоаналитический расчет
режима усиления
Генератор с триодом
Межэлектродные емкости
Каскады с общей сеткой и
общим анодом
Недостатки триодов
Основные типы приемно-
усилительных триодов
Устройство и работа тетрода
Устройство и работа пентода
Схемы включения тетродов
и пентодов
Характеристики тетродов
и пентодов
Параметры тетродов и
пентодов
Межэлектродные емкости
тетродов и пентодов
Устройство и работа
лучевого тетрода
Характеристики и параметры
лучевого тетрода
Рабочий режим тетродов
и пентодов
Пентоды переменной
крутизны
Краткие сведения о
различных типах
тетродов и пентодов
Специальные лампы
Общие сведения
Электростатические
электронно-лучевые трубки
Магнитные электронно-
лучевые трубки
Люминесцентный экран
Краткие сведения о
различных электронно-
лучевых трубках
Электрический разряд
в газах
Тлеющий разряд
Стабилитроны
Тиратроны тлеющего разряда
Индикаторные приборы
Дисплеи
Краткие сведения о
различных газоразрядных
приборах
Фотоэлектронная эмиссия
Электровакуумные
фотоэлементы
Фотоэлектронные умножители
Причины собственных шумов
Шумовые параметры
Межэлектродные емкости
и индуктивности выводов
Инерция электронов
Наведенные токи в
цепях электродов
Входное сопротивление
и потери энергии
Импульсный режим
Основные типы электронных
ламп для СВЧ
Общие сведения
Пролетный клистрон
Отражательный клистрон
Магнетрон
Лампы бегущей и
обратной волны
Амплитрон и карматрон
Надежность и испытание
электровакуумных приборов
Усилитель на триоде
с общим катодом
Ограничения по выбору
рабочей точки
Режим в рабочей точке
Катодное смещение
Выбор величины
сопротивления резистора
в цепи сетки
Выбор выходного
разделительного
конденсатора
Вредное влияние проходной
емкости лампы и пути
его уменьшения
Применение
экранированных ламп
Каскод (каскодная схема)
Катодный повторитель
Каскад с общим катодом
как приемник
неизменяющегося тока
Пентоды в качестве
приемников
неизменяющегося тока
Катодный повторитель
с активной нагрузкой
Катодный повторитель Уайта
μ-повторитель
Выбор верхней лампы для
μ -повторителя
Параллельно управляемый
двухламповый усилитель
(SRPP)
β-повторитель
Дифференциальная пара
(дифференциальный каскад)
Коэффициент реакции
питающего напряжения
(PSRR)
дифференциальной пары
Полупроводниковые
приемники неизменяющегося
тока для
дифференциальной пары
Использование транзисторов
в качестве активной нагрузки
для электронных ламп
Классификация искажений.
Принципы оценки линейных
искажений
Принципы измерения
нелинейных искажений
Измерение и интерпретация
искажений
Совершенствование
измерений нелинейных
гармонических искажений
Цифровая обработка сигналов
Особенности проектирования
усилителей с малыми
искажениями
Работа с сеточным током
и нелинейные искажения
Уменьшение искажений
подавлением (компенсацией)
Проблемы смещения
по постоянному току
Выбор электронной лампы по
критерию низких искажений
Проблема сопряжения одного
каскада со следующим
Усилитель класса А для
электромагнитных головных
телефонов с непосредств.
междукаскадной связью
Радиокомпоненты -
Общие сведения
Ряды стандартизованных
значений сопротивлений
Металлизированные
пленочные резисторы
Проволочные резисторы
Конденсаторы -
Общие сведения
Металлические конденсаторы
с воздушным диэлектриком
Пленочные конденсаторы,
изготовленные
металлизацией диэлектрика
Алюминиевые
электролитические
конденсаторы
Основные вопросы,
возникающие при
выборе конденсатора
Общие сведения о
катушках индуктивности
Трансформаторы -
Общие сведения
Трансформаторы.
Намагничивание и потери
Модели трансформаторов
Почему необходимо
использовать трансформаторы
Определение параметров
неизвестного трансформатора
Основные виды
источников питания
Выпрямление переменного
тока
Одиночный накопительный
конденсатор в роли
сглаживающего элемента
Влияние напряжения
пульсаций на выходное
напряжение
Насыщение сердечника
трансформатора
Критерии выбора силового
трансформатора
Источник питания со
сглаживающим дросселем
Номинальное значение
тока дросселя
Выбросы тока и
демпфирующие элементы
Использование накопительного
конденсатора для снижения
высоковольтного напряжения
Частотные характеристики
используемых на практике
LC-фильтров
Широкополосная фильтрация
Выпрямители с умножением
(умножители) напряжения
Классическая схема
последовательного
стабилизатора
Двухтранзисторная схема
последовательного
стабилизатора
Стабилизатор цепи сеточного
смещения с регулируемым
выходным напряжением
Источники питания низкого
напряжения и синфазный шум
Ламповый стабилизатор
напряжения
Способы увеличения
выходного тока стабилизатора
Коэффициент режекции
источника питания
Включение сглаживающих
конденсаторов
Перенапряжения при
включении схемы
Составление предварительной
схемы блока питания
Высоковольтный выпрямитель
и стабилизатор
Особенности смещения
подогревателей ламп
Схема улучшенного
источника питания
Рабочий режим
Увеличение максимально
допустимого Vrrm
Выходной каскад класса А
с несимметричным выходом
Особенности акустических
систем
Неидеальности
трансформаторов
Режимы работы усилительных
приборов. Классы усилителей
Двухтактный выходной каскад
Выходной каскад по
ультралинейной схеме
Трансформаторный катодный
повторитель
Усилители без выходного
трансформатора
Составляющие блока
усилителя мощности
Предоконечный каскад блока
усилителя мощности
Фазоинверсный каскад
Дифференциальный усилитель
или пара с катодной связью
«Согласованный»
фазоинвертор
Общие проблемы
устойчивости усилителей
Подавление первой
доминанты ВЧ составляющей
Низкочастотное
самовозбуждение усилителя
Усилитель Williamson
Усилитель Milliard 5-20
Усилитель Quad II
Выбор выходной лампы
Выбор статической рабочей
точки с учетом Pвых и КНИ
Точное определение
выходного трансформатора
Особенность выпрямление
высоковольтного напряжения
Варианты применения
стабилизатора ВВ напряжения
Требования к каскаду
предоконечного усиления
Определение рабочей точки
предоконечного каскада
Проверка работоспособности
усилителя
Пример разработки
двухтактного УМ
Оптимизация входного и
фазоинверсного каскадов
Расчет R катодного смещения
лампы и R обратной связи
Выбор элементов
оконечного каскада
Разработка усилителей
мощностью более 10 Вт
Активные кроссоверы
и схема Зобеля
Выбор лампы для
оконечного каскада
Требования к предоконечному
каскаду усиления
Источники питания и
постоянная токовая нагрузка
Второй дифференциальный
усилитель и выходной каскад
Первый дифференциальный
усилитель и линейность х-ки
Каскодная схема постоянной
токовой нагрузки
Постоянная токовая нагрузка
первого диф. каскада
Элементы, повышающие ВЧ
устойчивость. Итоговая схема
Схема источника питания
«Потомок от усилителя Beast»
Расчет уровня фонового
шума от ИП
Особенности цифрового
сигнала от компакт-диска
Требования к предусилителю
Технические требования
к линейному каскаду
Традиционный линейный
каскад
Пути достижения заданных
требований и выбор лампы
Основные проблемы
регулирования громкости
Переключаемые аттенюаторы
Расчет переключаемого
аттенюатора
Табличные вычисления для
расчета регулятора громкости
Светочувствительные
резисторы и громкость
Входной переключатель
Частотный корректор RIAA
Влияние провода
звукоснимателя
Требования к блоку
частотной коррекции
Метод частотной коррекции
стандарта RIAA
Раздельное выравнивание
характеристики RIAA
Шумы и влияние входной
емкости входного каскада
Учет собственных
шумов лампы
Улучшение шумовых
характеристик с RIAA
Расчет элементов на 75 мкс
Параметры цепей на
3180 мкс и 318 мкс
Симметричный вход и
подключение звукоснимателя
Симметричный предусилитель
Возможности исключения
линейного каскада
Вариант RIAA с исполь-
зованием лампы типа ЕС8010
Оптимизация характеристик
входного трансформатора
Анализ работы блока RIAA
Практические методы
настройки блока RIAA
Линейный каскад
О межблочных и
акустических кабелях
 
 

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 Rr, нагружен входным сопротивлением лампы. Это сопротивление обычно имеет активную и емкостную составляющие. Будем рассматривать только активное входное сопротивление и обозначим его Rвх.

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

Усилительный каскад

Рис. 24.7. Усилительный каскад

 

Наведенный ток в цепи сетки триода

Рис. 24.8. Наведенный ток в цепи сетки триода

 

На высоких частотах сопротивление Rвх не равно бесконечности. Чем оно меньше, тем больше переменный ток 1g в цепи сетки. С увеличением этого тока растет потеря напряжения на внутреннем сопротивлении генератора Rr и уменьшается полезное напряжение на сетке, так как Ug = ЕIgRr. Растут также потери мощности Рвх = I2g Rвх 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 Kp, показывающий, во сколько раз усиливается мощность:

Kp, = Рвых/Рвх, (24.4)

где Рвых — полезная мощность, отдаваемая лампой.

При малом входном сопротивлении мощность Рвх может настолько возрасти, что Kp 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 tg на участке сетка — катод равно времени пролета ta-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 iк, 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 ia 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 Ig при переменном сеточном напряжении Ug:

Ig = kSf2t2g-кUg, (24.5)

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

Отсюда для входного сопротивления получается выражение

Rвх = Ug/Ig = l/(kSf2t2g-к). (24.6)

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

Rвх = 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 Rвх = 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

KSRH, (24.8)

где RH 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 Rвх. Для усилителя, работающего на волне длиной 50 см с лампами, имеющими S = 5 мА/В и Rвх = 100 Ом, можно считать, что Rн 100 Ом. Тогда К ≈ 5·10-3·100 = 0,5. Следовательно, каскад вместо усиления дает ослабление.

Приведенный расчет сопротивления Rвх 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.

Форма СВЧ-колебаний при работе лампы в импульсном режиме

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

Электронные лампы передатчиков СВЧ во многих случаях работают в импульсном режиме. Например, почти все радиолокационные передатчики дают импульсы длительностью в единицы и десятки микросекунд, отделенные друг от друга промежутками времени гораздо большей продолжительности (рис. 24.9). При таком режиме работы средняя мощность лампы во много раз меньше мощности импульса. Пусть, например, длительность импульса τи = 10 мкс, его мощность Ри = 100 кВт, а частота следования импульсов f = 200 Гц. Тогда период следования импульсов Т= 1/200 = 0,005 с = 5000 мкс, т.е. в 500 раз больше длительности импульса. Поэтому средняя мощность лампы в 500 раз меньше мощности импульса: Рср = 0,2 кВт.

Отношение периода следования импульсов к длительности импульса называют скважностью:

Q = Ти. (24.9)

Следовательно,

Pср = Ри /Q = Риτи / Т. (24.10)

Иногда применяют величину, обратную скважности и называемую коэффициентом заполнения.

Лампы для импульсной работы имеют сравнительно малые размеры анода, так как потери на его нагрев определяются средней мощностью. Импульсы большой мощности получаются при подаче на сетку и анод весьма больших напряжений в течение короткого времени. Анодное напряжение, например, достигает десятков киловольт. Во избежание пробоя необходимо обеспечить хорошее качество изоляции между электродами и их выводами, а также высокий вакуум.

Катод лампы при импульсной работе должен обеспечивать очень высокую эмиссию. Для этого пригоден оксидный катод, эмиссия которого в импульсном режиме в десятки раз сильнее, чем в режиме непрерывной работы. В импульсном режиме удельная эмиссия оксидного катода достигает 70 А/см2 и эффективность 10000 мА/Вт, в непрерывном — 0,5 А/см2 и 100 мА/Вт соответственно.

Высокая удельная эмиссия в импульсном режиме объясняется вырыванием большого числа электронов из оксидного слоя под влиянием сильного внешнего электрического поля, которое проникает в этот слой, являющийся полупроводником. Такую эмиссию оксидный катод обеспечивает только при условии, что длительность импульсов не превышает 20 мкс и между ними имеются более продолжительные паузы. Если поддерживать высокую удельную эмиссию более длительное время, то наступает «отравление» оксидного катода, эмиссионный ток быстро падает и восстановление удельной эмиссии возможно только после «отдыха» катода.

Помимо оксидных катодов для импульсного режима успешно применяются новые типы катодов: бариево-вольфрамовые (L-катоды), ториево-оксидные, металло-керамические — из смеси тория и молибденового порошка и др. У некоторых из них удельная эмиссия в импульсном режиме достигает 300 А/см2.

 

Информация 2018

 

 
 
Сайт создан в системе