Лекция 6

Выбор оптимального режима работы лампы и транзистора в ГВВ. Критерии оптимальности режима по основным параметрам.

В ламповых и транзисторных ГВВ возможны следующие режимы работы: недонапряжённый, характеризуемый косинусоидальными импульсами выходного тока АЭ; критический (импульсы выходного тока также косинусоидальные, но реальные импульсы несколько уплощенные); перенапряжённый (импульсы выходного тока имеют провал на вершине).¹

Очевидно, в генераторных устройствах, особенно мощных, наибольший интерес представляет режим, при котором АЭ – лампа, транзистор обеспечивает в нагрузке максимальную мощность при высоком КПД.

Колебательная мощность и КПД анодной, коллекторной цепи ГВВ в режиме усиления определяются следующими соотношениями:²

(6.1)

Так как ВАХ анодного тока ламп и коллекторного тока транзисторов внешне сходны³, а колебательная мощность и КПД определяются одинаковыми соотношениями, то условия оптимальности режимов по мощности и КПД для ламповых и транзисторных ГВВ будут одинаковыми.

Из выражений (6.1) следует, что чем больше ξ, то есть чем больше напряжённость режима, тем больше колебательная мощность и больше КПД при условии, что амплитуда первой гармонической составляющей выходного тока, а также отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей выходного тока не уменьшаются.

Однако, с ростом ξ, достигаемым за счёт увеличения эквивалентного сопротивления контура при сохранении напряжений питания и возбуждения неизменными, происходит, как правило, уменьшение амплитуды первой гармоники выходного тока и уменьшение отношения (ниже, для сокращения записи, сохраним обозначения и продолжим рассмотрение вопроса в терминах лампового ГВВ). Дело в том, что с увеличением напряжённости режима при названных выше условиях происходит уменьшение амплитуды импульсов выходного (анодного) тока (см. рис.6.1), соответственно, и амплитуды первой гармоники. Однако, в пределах основной области статических ВАХ выходного тока, которая соответствует недонапряжённому и критическому режимам, уменьшение амплитуды импульсов тока, соответственно, и первой гармоники незначительно, а колебательная мощность возрастает, так как возрастает колебательное напряжение, причём оно увеличивается заметнее, чем уменьшается ток. С уменьшением амплитуды импульсов с ростом напряжённости режима происходит и уменьшение постоянной составляющей выходного тока, соответственно, уменьшение потребляемой мощности , что, вместе с возрастанием , обусловливает увеличение КПД.

На рис.6.1 показаны ДХ анодного тока при θ = 90°. С изменением ξ значение нижнего угла отсечки анодного тока не изменятся в этом случае. В общем случае при
θ ≠ 90° и если проницаемость D ≠ 0 с ростом напряжённости режима работы АЭ угол нижней отсечки выходного тока уменьшается, что видно из рассмотрения выражения для определения нижнего угла отсечки анодного тока (4.15а):

При θ = 90° и значение угла сохраняется, независимо от ξ. Если D = 0, то, независимо от ξ и соотношения и , значение нижнего угла отсечки также сохраняется. Если θ ≠ 90°, то есть, то при D ≠ 0 угол нижней отсечки изменяется с напряжённостью режима, однако, это изменение из-за малой величины D может быть мало заметным. Поэтому в основной области семейства статических ВАХ всегда можно считать

.

Соответственно, с ростом ξ КПД будет пропорционально возрастать.

При переходе в перенапряжённый режим отношение падает, так как уменьшается с появлением провала на вершине импульсов выходного тока быстрее, чем уменьшается . (Если обратиться к исходным формулам коэффициентов ряда Фурье, записанным в форме интегралов для определения постоянной и первой гармонической составляющих тока,⁴ то из рассмотрения их следует, что постоянная составляющая определяется общей площадью импульса, а амплитуда первой гармоники в основном его центральной частью, благодаря сомножителю . С увеличением напряжённости режима ГВВ площадь импульса уменьшается медленнее, чем его центральная часть.) Уменьшение в перенапряжённом режиме, несмотря на рост ξ , соответственно и рост амплитуды колебательного напряжения, может привести к снижению колебательной мощности , а уменьшение отношения – к уменьшению КПД.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать вывод о возможности существования в ламповых и транзисторных ГВВ режимов, оптимальных по колебательной мощности и КПД. Возможность существования оптимальных режимов, в частности, например, по колебательной мощности, следует и из того факта, что с ростом ξ возрастает амплитуда колебательного напряжения , а амплитуда первой гармонической составляющей падает. Следовательно, существует такое значение ξ , когда произведение амплитуды колебательного напряжения и амплитуды первой гармоники выходного тока максимально, а именно оно определяет величину колебательной мощности

Определим аналитически оптимальные режимы работы ламповых и транзисторных ГВВ. Для этого обратимся к аппроксимированным статической и динамической характеристикам выходного тока АЭ, например, анодного тока лампы, показанным на
рис.6.2.

Рис. 6.2

Согласно рис.6.2 при работе в основной области статических ВАХ вплоть до критического режима амплитуду импульсов анодного тока можно определить следующим соотношением:

(6.2)

где - амплитуда импульсов анодного тока при коротком замыкании нагрузки ; - крутизна статической характеристики анодного тока в основной области в системе координат

.

Создаваемая лампой колебательная мощность

.

Согласно (6.2)

(6.3)

тогда

Из последнего выражения, найдя производную можно определить оптимальное значение амплитуды импульсов анодного тока при котором колебательная мощность будет максимальной,

откуда следует

(6.4)

Если, используя (6.2), определить колебательную мощность как

то можно найти оптимальное значение амплитуды колебательного напряжения , при котором достигается максимальная мощность, из условия

согласно которому

(6.5)

Обратим внимание, что условие (6.5) вытекает также из (6.3) при подстановке условия (6.4).

Отношение

определяет теоретическую величину амплитуды колебательного напряжения, соответствующей бесконечной нагрузке по первой гармонике в выходной цепи генератора, то есть режиму холостого хода при условии, что характер изменения выходного тока такой, как в основной области (рис.6.3).

Рис. 6.3

Обозначим

(6.6)

тогда условие (6.5) можно записать в виде

(6.7)

Таким образом, чтобы лампа или транзистор обеспечивали в нагрузке максимальную колебательную мощность, необходимо, чтобы амплитуда импульсов выходного тока в рабочем режиме была равна половине амплитуды импульсов в режиме короткого замыкания нагрузки или чтобы амплитуда колебательного напряжения в рабочем режиме составляла половину амплитуды напряжения в режиме холостого хода.

На основании (6.4) и (6.7) можно определить величину сопротивления нагрузки в выходной цепи ГВВ, при которой обеспечивается оптимальный по мощности режим,

(6.8)

Если учесть, что , то соотношение (6.8) можно получить из (6.7) с учётом (6.4), (6.6). Действительно,

.

Из записи последнего соотношения вытекает (6.8).

Соотношения (6.4), (6.5), (6.7), (6.8) можно рассматривать как разные формы записи критерия оптимальности режима ГВВ по мощности.

Следует обратить внимание, что при выводе соотношений (6.4), (6.5) принято допущение, что угол нижней отсечки выходного тока не зависит от напряжённости режима генератора, поэтому Подобное допущение справедливо либо при
θ = 90°, либо при условии, когда с напряжённостью режима изменяются также амплитуда напряжения возбуждения и величина напряжения смещения таким образом, что сохраняются неизменными нижний угол отсечки выходного тока и величина максимального мгновенного напряжения на входе: или . Очевидно, только при выполнении последнего условия , что также подразумевалось при выводе (6.4), (6.5). Если коэффициент D (у ламп, напомним, характеризует проницаемость) пренебрежимо мал, то есть D ≈ 0, то все отмеченные выше допущения всегда выполняются в ламповом ГВВ, а в транзисторном тем более (у транзисторов, напомним, с большим основанием можно считать D = 0).

Выше отмечалось, что возможность существования оптимального по мощности режима с изменением напряжённости следует и из рассмотрения формулы

.

Определим оптимальный режим аналитически, воспользовавшись условием

из которого следует

Так как

то оптимальному режиму соответствует условие