2.5. Основные режимы работы ламповых генераторов

Для возбуждения колебаний в ламповом генераторе на сетку лампы необходимо подать переменное напряжение. Обычно в промышленных ламповых генераторах напряжение на сетке формируется либо специальным задающим генератором синусоидальных напряжений (как это обычно и делается во всех радиопередающих устройствах), либо передачей части напряжения от колебательного контура с помощью обратной связи. В первом случае имеем генератор с независимым возбуждением, во втором – с самовозбуждением. И в том и в другом случаях переменное напряжение на сетке будет синусоидальным.

Для нормальной работы на сетку лампы необходимо подать отрицательное напряжение относительно катода. Для этого между катодом и сеткой всегда имеется источник постоянного напряжения .

Если к сетке приложить оба напряжения, то результирующее напряжение

,

где – амплитуда синусоидального напряжения на сетке;

–напряжение смещения.

Имея анодно-сеточную характеристику лампы путем несложных графических построений можно получить временную зависимость анодного тока лампы (рис.44.10).

Рассматривая зависимость видно, что ток через лампу может проходить все время и имеет форму однополярного тока с синусоидальной огибающей. Такой ток имеет две составляющие: постоянную составляющуюи переменную с частотой ω и амплитудой.

При увеличении напряжения смещения или амплитуды переменного напряжения на сетке через лампу будут проходить импульсы тока, представляющие по форме часть синусоиды (если характеристика лампы близка к линейной) (рис.44.11).

Половину времени прохождения тока через лампу называют углом отсечки . Увеличение сеточного смещения приводит к уменьшению угла отсечки.

Рис.44.10. Форма анодного тока в статическом режиме

при непрерывном его протекании

Рис.44.11. Форма анодного тока в статическом режиме

с углом отсечки

Режим работы лампы с нагрузкой называется динамическим. Нагрузкой лампы служит колебательный контур, включенный в анодную цепь. Динамическая анодно-сеточная характеристика будет отличаться от статической, так как напряжение на аноде непрерывно меняется. В значительной степени она перестает быть прямой и будет искривляться (рис.44.12, а).

а б

Рис.44.12. Временные диаграммы токов и напряжений

в ламповом генераторе в перенапряженном режиме

В динамическом режиме при больших напряжениях на сетке в кривой анодного тока появляется провал (рис.44.11, б).

Таким образом, в зависимости от амплитуды входного сигнала и положения точки покоя на динамической анодно-сеточной характеристике, определяемой величиной постоянного смещения в цепи сеткивозможны два рода генерируемых колебаний.

Колебания первого рода (рис.44.9) имеют место тогда, когда мгновенные значения напряжения на сетке не выходят за пределы прямолинейного участка анодно-сеточной характеристики, форма кривой анодного тока, являющегося в данном случае непрерывным, совпадает с формой кривой напряжения. КПД лампового генератора при этом низок, так как велики потери мощности на аноде лампы, обусловленные протеканием большой постоянной составляющей анодного тока.

Колебания второго рода (рис.44.10, 44.11) имеют место тогда, когда мгновенные значения напряжения на управляющей сетке выходят за пределы прямолинейной части анодно-сеточной характеристики. Кривая анодного тока по своей форме отличается от кривой входного напряжения и может быть прерывистой.

Работа лампового генератора в этом режиме более экономична, проходит при более высоком КПД.

Характеристики лампового генератора

Независимо от режима работы лампового генератора анодный ток его является несинусоидальным. Он содержит постоянную составляющую и переменные составляющие с частотами ω, 2ω, 3ω и т.д.

Если принять, что ω ≈ ω₀, то анодный ток i_a можно представить следующим аналитическим выражением

,

где – амплитуда первой гармоники;и т.д. – амплитуды высших гармоник; ω₀ – угловая резонансная частота.

Основной переменной составляющей является составляющая с частотой ω₀ (первая гармоника). Как показано в [1], если амплитуда первой гармоники составляет 40 – 50 % от максимального значения анодного тока , то гармоника с частотой 2ω₀ имеет амплитуду менее 10 % от.

Обычно при анализе процессов в ламповом генераторе высшими гармониками пренебрегают.

Главными показателями, характеризующими работу генератора, являются колебательная (полезная), выделяемая в колебательном контуре, мощность и коэффициент полезного действия.

Так как мы считаем, что напряжение на нагрузке генератора (на его колебательной системе) – гармоническое и изменяется по закону , то колебательная мощность

,

где R_э – эквивалентное сопротивление колебательного контура.

Подводимая в анодную цепь лампы мощность берется из источника анодного питания (выпрямителя) с напряжениемU_d. Эта мощность .

Разность мощностей и– есть мощность, которая выделяется на аноде в виде теплоты и называется мощностью рассеяния на аноде.

Эту теплоту, чтобы не разрушалась лампа, необходимо отвести либо воздухом, либо водой. По способу охлаждения анода лампы делятся на лампы с водяным охлаждением, в которых анод представляет медный цилиндр, охлаждаемый водой; с воздушным охлаждением анода, когда к медному цилиндру анода привариваются радиаторные листы и, наконец, с естественным охлаждением, когда анод выполняется из тугоплавких материалов и помещается внутрь стеклянного баллона; потери при этом отводятся радиационным способом.

КПД генератора определяется выражением

или ,

где – коэффициент формы анодного тока;– коэффициент использования анодного напряжения источника питания.

Графики зависимостей мощностей ,,, которые представлены в относительных единицах по отношению к граничному режиму и КПД генератораот эквивалентного сопротивления колебательного контурапоказаны на рис.44.13. Графики построены для генератора с независимым возбуждением.

Рис.44.13. Нагрузочные характеристики генератора

Анализ характеристик

Режим работы лампового генератора при прочих равных условиях определяется величиной эквивалентного активного сопротивления колебательного контура .

Зависимости колебательной мощности , расходуемой мощности источника питанияи КПД генератораот величины эквивалентного активного сопротивления называются нагрузочными характеристиками генератора. Рассмотрим нагрузочные характеристики генератора с независимым возбуждением.

При малых сопротивлениях генератор работает в недонапряженном режиме, и изменениесравнительно мало влияет на величину и форму анодного тока. Поэтому с увеличениемнапряжение на колебательном контуре практически пропорционально. Практически также меняютсяи КПД генератора .

Увеличение мощности с увеличениемпроисходит до тех пор, пока напряжение на колебательном контурене станет настолько большим, что генератор перейдет в перенапряженный режим работы.

В перенапряженном режиме с ростом сеточный ток генераторного триодарезко увеличивается, а форма кривой анодного тока сильно искажается. Постоянная составляющая анодного токаи его основная гармоникапри этом уменьшаются. Поэтому напряжение на контурев перенапряженном режиме с ростомподнимается значительно медленнее, чем в недонапряженном. Из-за уменьшенияколебательная мощностьс ростомв перенапряженном режиме падает. Что же касается КПД генератора, то он с увеличением из-за одновременного уменьшения ипонижается незначительно. Таким образом, генератор выдает максимальную полезную мощность при работе в критическом режиме.

Ввиду того, что КПД в критическом режиме имеет значение также близкое к максимальному, критический режим является оптимальным режимом работы генератора.

Соответствующим подбором параметров колебательного контура можно при любой нагрузке генератора добиться того, чтобы эквивалентное сопротивление колебательного контураимело значение, соответствующее критическому режиму.

При малых значениях перегружен анод, а при больших значенияхперегружается сетка. Рекомендуемый диапазон изменениясоставляет, где– сопротивление контура, соответствующее граничному режиму.