Рис. 5.1. Типовая схема лампового ГВВ

ЛЕКЦИЯ 5. ЛАМПОВЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
5.1. Типовая электрическая схема лампового ГВВ
5.2. Статические характеристики триода и тетрода и их аппроксимация
5.3. Определение токов и напряжений в ламповом ГВВ
5.4. Динамическая характеристика и режимы работы ГВВ
5.1. Типовая электрическая схема лампового ГВВ
Типовая схема лампового ГВВ (рис. 5.1) содержит: электровакуумный
прибор - тетрод; выходную электрическую цепь - параллельный колебательный
контур; входную электрическую цепь - высокочастотный трансформатор; цепи
питания анода, управляющей и экранной сеток.
Рис.
5.1.
Типовая
схема
лампового ГВВ
АЧХ
контура,
в
анодной цепи, имеет
вид
U x 
1

,
U рез
1  4Q 2 x 2
(5.1)
добротность контура; x   f  f рез  f рез
где U рез - напряжение
при
резонансной
Q частоте f рез ,
- относительная расстройка,
f рез 
1
2 Lк C к
,
(5.2)
где Lк , Cк - индуктивность и емкость контура.
Графики функции (5.1) при Q=30 и Q=100 приведены
на рис. 5.2. Кроме согласования с нагрузкой
параллельный контур выполняет функцию фильтра,
так как при Q»1 при небольшом отклонении частоты
сигнала f от резонансной частоты f рез напряжение
на нем резко падает. При Q»1 полоса пропускания
f пр  f рез Q .
контура:
(5.3)
Рис. 5.2. АЧХ параллельного колебательного контура
Благодаря высокой добротности контура при, напряжение на выходе
генератора является синусоидальным. Напряжение на входе лампы
складывается из ВЧ сигнала источника возбуждения u c и постоянного
напряжения смещения E c :
ec  E c  u c  E c  U cm cos t ,
где U cm - амплитуда ВЧ сигнала.
Напряжение на выходе лампы, снимаемое с электродов анод-катод,
складывается из постоянного напряжения E a , и высокочастотного напряжения
u a на анодном контуре, резонансная частота которого
f рез  f - равна частоте
входного сигнала. Поскольку лампа поворачивает фазу сигнала на 180 0 , то
перед u a следует поставить знак «—»:
ea  E a  u a  E a  U am cos t ,
(5.4)
где U am - амплитуда ВЧ сигнала на анодном контуре.
Для связи с нагрузкой (рис. 5.1) служит емкость C св , не пропускающая
на выход генератора постоянное напряжение. Для защиты от проникновения
ВЧ сигнала в цепи питания включены дроссели Lдр . Той же цели служат
блокировочные конденсаторы C бл , замыкающие ВЧ сигнал на землю.
5.2. Статические характеристики триода и тетрода и их
аппроксимация
Лампа в схеме ГВВ предназначена для усиления мощности входного
сигнала. Для определения параметров ГВВ необходимо найти анодный ток
лампы. Данная задача может быть решена с помощью статических
характеристик электровакуумного прибора, которые делятся на три основных
вида: анодно-сеточные - ia  Ф1 ec  при разных значениях E a и E c 2 (рис.
5.3,a);
анодные
-
ia  Ф2 ea 
при
разных
значениях E c и E c 2 (рис.
5.3,б);
сеточные
-
ic  Ф3 ec 
при
разных
значениях Ea и E c 2 (рис.
5.3,а).
Рис. 5.3. Статические характеристики лампы
Эти характеристики называются статическими, потому что они снимаются при
постоянных напряжениях на электродах без ВЧ сигнала.
При расчете ГВВ производится полигональная аппроксимация этих
характеристик отрезками прямых (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Полигональная аппроксимация статических характеристик
Согласно рис. 5.4, а для анодного тока при e a  const


'
i a  0 при e c  E c ; i a  S E c  e c при
'
ec  E c' ,
(5.6)
'
где E c - напряжение отсечки; S  tg - крутизна анодно-сеточной
характеристики лампы (сокращенно - крутизна), измеряемая в мА/В.
Чем
больше
анодное
напряжение
Ea
тем
левее
характеристика ia  Ф1 ec  . Для анодного тока (рис. 5.4,б) при
ia  S гр ea при ea  ea . мин ;
располагается
ec  const
ia  iam при ea  ea . мин
имеем:
(5.7)
где S гр  tg - крутизна линии граничного режима, проводимая через точки
резкого спада анодного тока (см. рис. 5.3,б), мА/В; ea. мин - напряжение, при
котором происходит излом анодной характеристики; значение ea. мин зависит от
уровня напряжения на сетке e c
Согласно рис. 5.4,а для сеточного тока при ea  const запишем:
ic  S гр eca при e c  0 ; ic  0 при e c  0 ,
где S c  tg - крутизна сеточной характеристики лампы, мА/В.
(5.8)
5.3. Определение токов и напряжений в ламповом ГВВ
Определим анодный и сеточный токи в лампе графическим методом по
аппроксимированным характеристикам (рис. 5.5). При выполнении построений
принято во внимание, что анодный ток i a t  протекает только при мгновенном
значении напряжения на управляющей сетке e c t   E c' а сеточный i c t  - при
ec t   0 . При остальных значениях напряжения e c t  эти токи равны нулю. В
результате анодный и сеточный токи приобретают форму импульсов
косинусоидальной формы.
Рис. 5.5. Графический метод расчета анодного тока
Эти импульсы характеризуются амплитудой и длительностью у основания,
половина которой называется углом отсечки. Импульсы анодного тока имеют
амплитуду I am и угол отсечки  , импульсы сеточного тока - I cm ,  c . Такие
импульсы периодически повторяются через t  2 . Таким образом, в
анодной цепи лампы протекает ток i a t  импульсной формы (рис. 5.6,а), а в
сеточной - ток i c t  (рис. 5.6,б).
Рис. 5.6. Импульсные токи в анодной и сеточной цепи лампового ГВВ
Проведем ось ординат посредине первого косинусоидального импульса.
Тогда согласно рис. 5.6,а для анодного тока при    t   запишем:
i a  t   SU cm cos t   cos  при t   ; i a  t   0 при   t   , (5.9)
где S - крутизна анодно-сеточной характеристики; U cm - амплитуда входного
сигнала.
Из (5.9) при t  0 получим для амплитуды анодного тока
I am  SU cm (1  cos  ) .
(5.10)
Косинус угла отсечки анодного тока согласно рис. 5.5
cos  
E c  E c'
U cm
.
(5.11)
Аналогично для сеточного тока при    t   запишем:
ic  t   S cU cm (cos t  cos  c ) при t   c ; i c  t   0 при  c  t   .(5.12)
Из (5.12) при t  0 получим для амплитуды сеточного тока
I cm  S cU cm (1  cos c ) .
(5.13)
Косинус угла отсечки сеточного тока согласно рис. 5.5
cos  
Ec
U cm
.
(5.14)
Разложим периодическую функцию i a t  в ряд Фурье
ia  t   I a 0  I a1 cos  t  I a 2 cos 2 t  I a 3 cos 3 t   ,
I an 
1

(5.15)

 i  t  cos nt  d t - n-я гармоника анодного тока, где n=0,1, 2, 3 ...
0
a
Вычислив интеграл, получим для постоянной составляющей анодного
тока с учетом (5.10)
I a 0  SU cm 0    I am 0   .
(5.16)
где  0   
1
sin    cos  ;  0     0  
.
1  cos
Для n-й гармоники анодного тока с учетом (5.10)

I an  SU cm n    I am n   ,
(5.17)
I a1  SU cm 1    I am1   ,
(5.18)
 n  
1  sin n  1 sin n  1 






;
.
n
n  n  1
n  1 
1  cos
Для 1-й гармоники (n=1) из (5.17) имеем
где  n   
где  1   
1

  0,5 sin 2  ; 1     1  
1  cos
.
Коэффициент формы косинусоидального импульса:
I
    n  
g n    an  n

.
I a 0  0    0  
(5.19)
Зависимости  n   ,  n   , g n   называются коэффициентами
разложения в ряд Фурье косинусоидальных импульсов.
Аналогично производится разложение в ряд импульсов сеточного тока:
ic  t   I c 0  I c1 cos  t  I c 2 cos 2 t  I c 3 cos 3 t  
Постоянная составляющая сеточного тока I c 0 определяется по формуле,
аналогичной (5.16), в которой амплитуду I am следует заменить на I cm (5.13), а
угол отсечки  на  c , (5.14). Гармоники сеточного тока I cn определяются по
формуле (5.17), в которой следует произвести аналогичные замены. В
результате получим:
I c 0  SU cm 0  c   I am 0  c  ;
(5.20)
I cn  SU cm n  c   I am n  c  .
(5.21)
R1  Q  Q Lk C k ,
(5.22)
Определим напряжение на анодном контуре u a t  (см. рис. 5.1).
При настройке контура в резонанс ( f  f рез ) он имеет большое
сопротивление на частоте 1-й гармоники:
где  - волновое сопротивление контура и малое, близкое к нулю, на всех
остальных гармониках - 2, 3-й и т.д. Такое свойство контура позволяет считать
напряжение на нем синусоидальным
u a  t   U am cos  t ,
(5.23)
где U am  I a1 R1 - амплитуда напряжения 1-й гармоники на контуре.
(5.24)
В соответствии с формулами (5.5) и (5.23) для напряжения между
электродами лампы анод-катод имеем
ea  t   Ea  ua  t   Ea  U am cos  t .
(5.25)
Согласно полученным выражениям для напряжений на управляющей
сетке u c  t  (6.4) и аноде u a  t  (5.25) и для анодного i a  t  (5.9) и
сеточного токов i c  t  (5.12) построим соответствующие диаграммы (рис. 5.8),
отображающие формы сигнала на выходе и входе электронного прибора ВЧ
генератора.
Полученные выражения
мощностей в генераторе.
позволяют
составить
уравнения
баланса
Рис. 5.8. Диаграммы, отображающие формы сигнала на выходе и входе
электронного прибора генератора.
Уравнение баланса мощностей в анодной цепи генератора примет вид
P0  P1  Pa ,
(5.26)
P1  0,5U am I a1
(5.27)
где
мощность 1-й гармоники сигнала в анодной цепи или выходная мощность ВЧ
генератора;
P0  E a I a 0
(5.28)
мощность, потребляемая от источника постоянного тока по цепи анода; Pa мощность, рассеиваемая в виде тепла анодом лампы.
Для КПД генератора с учетом (5.16), (5.18), (5.19), (5.27), (5.28) получим
P 0,5I a1U am
 1 
 0,5g1   ,
(5.29)
P0
I a0 Ea
где   U am E - коэффициент использования анодного напряжения.
Уравнение баланса мощностей в сеточной цепи ВЧ генератора примет
вид
где
Pc1  Pc 0  Pc ,
(5.30)
Pc1  0,5U cm I c1 ,
(5.31)
мощность 1-й гармоники сигнала в сеточной цепи или входная мощность ВЧ
генератора;
Pc 0  E c I c 0
(5.32)
мощность, рассеиваемая в источнике напряжения смещения; Pc - мощность,
рассеиваемая в виде тепла управляющей сеткой лампы.
Значения Pa и Pc не должны превышать предельных значений данных
параметров в используемом электровакуумном приборе.
5.4. Динамическая характеристика и три режима работы ВЧ
лампового генератора
Определим динамическую характеристику лампового ГВВ для
мгновенных значений анодного тока и напряжения: i a   e a  при типовом
значении угла отсечки   90 0 .
Согласно (5.9) и (5.10) для анодного тока (см. рис. 5.8) запишем:
i a  t   I am cos  t при t   ; i a  t   0 при 90 0   t  180 0 ,
(5.33)
Согласно формулам (5.25) и (5.24) для анодного напряжения имеем
ea  t   E a  I am1 R1 cos  t .
(5.34)
Решая уравнения (5.33) и (5.34), исключив из них время t, получим:
ia 
E a  ea
при
1 R1
 t  90 0
,
ia  0 при 90 0   t  180 0 .
(5.35)
Согласно (5.35) динамическая характеристика генератора состоит из двух
отрезков прямых линий. Каждый период колебаний рабочая точка,
характеризуемая координатами i a   e a  , «пробегает» по ней: полпериода по
одной ветви, полпериода - по другой. Построим динамическую характеристику
(5.35) на плоскости статических ВАХ (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Динамическая характеристика ГВВ
Одна ветвь этой характеристики ( ia  0 ) проходит по оси абсцисс правее
координаты ea  E a , и неизменна, а вторая располагается на плоскости под
углом:
  arctg
1
2
 arctg
 1 R1
R1
, (5.36)
где при   90 0 коэффициент 1  0,5 .
Согласно (5.36) при изменении сопротивления анодной нагрузки по 1-й
гармонике сигнала R1 , меняется угол наклона у динамической характеристики:
от 90 0 при R1  0 (режим КЗ) до 0 0 при R1   (режим ХХ). До тех пор пока
динамическая характеристика не пересекает линию граничного режима (рис.
5.9, случаи 1 и 2), форма импульса анодного тока остается косинусоидальной.
При возрастании значения R1 и соответственно U am , в динамической
характеристике происходит второй излом и появляется третий участок,
проходящий по линии граничного режима, а в импульсе анодного тока
появляется провал (рис. 5.9, случай 3).
В результате в ламповом ГВВ возможны три режима работы:
граничный, при котором динамическая характеристика касается линии
граничного режима, ему соответствует значение сопротивления анодной
нагрузки на частоте сигнала R1  R1гр и амплитуда ВЧ напряжения U am  U amгm
импульс тока имеет косинусоидальную форму (рис. 5.9, случай 2);
недонапряженный, при котором динамическая характеристика не
доходит до линии граничного режима, ему соответствует значение
сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала R1  R1гр и амплитуда ВЧ
напряжения U am  U am.гр , импульс тока имеет косинусоидальную форму (рис.
5.9, случай 1);
перенаиряженный, при котором динамическая характеристика
пересекает линию граничного режима и далее с ней совпадает, этому режиму
соответствует значение сопротивления анодной нагрузки на частоте сигнала
R1  R1гр и амплитуда ВЧ напряжения U am  U amгm импульс тока имеет
косинусоидальную форму с провалом посередине (см. рис. 5.9, случай 3).
Возникновение провала в импульсе анодного тока связано с тем, что при
возрастании амплитуды U am уменьшается остаточное напряжение на аноде
лампы ea. мин  Ea  U am (см. рис. 5.9), которое становится соизмеримым с
максимальным значением напряжения на управляющей сетке ec. макс .
Вследствие этого поток электронов, идущий от катода к аноду
«перехватывается» управляющей сеткой, ток которой резко возрастает, а в
анодном токе при этом происходит провал. В перенапряженном режиме с
увеличением сопротивления R1 провал в импульсе тока
возрастает, что может привести к «расщеплению»
импульса (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Эффект расщепления импульса анодного тока
Определим параметры ВЧ генератора в граничном режиме (рис. 5.11).
Рис. 5.11. К определению параметров генератора в граничном режиме
Из рис. 5.11, следует
I am  S гр e a . м ин  S гр E a 1   гр ,
(5.37)
где S гр  tg - крутизна линии граничного режима;  гр  U am,гр E a - коэффициент
использования анодного напряжения в граничном режиме работы.
Мощность 1-й гармоники сигнала в граничном режиме
P1  0,5I a1U am  0,5I am1  гр E a   0,51 S гр Ea2 гр 1   гр 
или P1  A гр 1   гр  , где
(5.38)
A  0,51 S гр Ea2 .
Решив квадратное уравнение (5.38), для коэффициента использования
анодного напряжения в граничном режиме работы получим
 гр 
8P1
1 1

1
.
2 2
S гр 1 E a2
(5.39)
При    гр режим работы ГВВ недонапряженный, при    гр перенапряженный. Наиболее часто генератор работает в граничном режиме с
максимальным КПД. В особых случаях, например при амплитудной
модуляции, выбираются другие режимы работы.
Контрольные вопросы
1. Нарисуйте типовую схему лампового генератора с внешним возбуждением.
2. Как проводится аппроксимация статических характеристик триода?
3. Проведите на характеристиках лампы линию граничного режима.
4. Как определяется угол отсечки анодного тока?
5. Как определяется угол отсечки сеточного тока?
6. Как производится разложение периодической функции в ряд Фурье?
7. Что такое коэффициенты разложения косинусоидального импульса?
8. Назовите и опишите три режима работы по напряженности генератора с
внешним возбуждением.
9. Как определяется граничный режим работы генератора?