Лекция 6 (лекции по УГФС), страница 2

(6.9)

Посмотрим, насколько (6.9) согласуется с (6.8).

Для определения производной в правой части (6.9) воспользуемся выражением для амплитуды первой гармоники анодного тока:

(6.10)

Налагая те же условия, что и раньше, а именно , и определяя из формулы

напряжение смещения

получаем

Подставляя последнее выражение в (6.10) и выполняя преобразования, находим

откуда

Учитывая, что

имеем

при этом, согласно (6.9),

что соответствует ранее полученному условию (6.8).

Статические ВАХ анодного тока генераторных ламп зависят от уровня их мощности и конструкции. В общем случае возможны лампы с характеристиками анодного тока, показанными на рис.6.4. Для характеристик рис.6.4,а

а для характеристик рис.6.4,б

Очевидно, лампы, имеющие характеристики с будут обеспечивать максимальную мощность в недонапряжённом или почти критическом режиме работы, где выполняются соотношения (6.4), (6.5).

Для ламп, у характеристик которых соотношения (6.4), (6.5) не могут быть выполнены в основной области семейства статических ВАХ анодного тока, а в области перенапряжённого режима они недействительны в силу исходных предпосылок при их выводе, в частности, из-за принятия что справедливо для косинусоидальных импульсов, которые имеют место только в недонапряжённом режиме вплоть до критического. В перенапряжённом режиме в импульсах анодного тока появляется провал на вершине, что приводит к резкому уменьшению амплитуды первой гармоники анодного тока и, соответственно, несмотря на рост амплитуды колебательного напряжения, к снижению к
олебательной мощности, обеспечиваемой лампой в нагрузке.

Соотношению (6.5) соответствует коэффициент использования анодного напряжения

значение которого при оказывается много больше единицы, что физически не может быть достигнуто.⁵ Поэтому, если принять, что достижимое максимальное значение при этом то при использовании в ГВВ ламп, у которых , максимальная мощность в нагрузке будет в критическом режиме, которому в этом случае соответствуют практически максимальные значения тока и колебательного напряжения (рис. 6.5). Колебательная мощность, обеспечиваемая при этом лампой,

Таким образом, в целом можно считать, что все лампы в ГВВ обеспечивают в нагрузке максимальную мощность вблизи критического режима, имея при этом высокий КПД анодной цепи, благодаря относительно большому значению коэффициента использования анодного напряжения ξ.

Всё изложенное выше относительно оптимального режима работы лампового ГВВ, когда в нагрузке обеспечивается максимальная колебательная мощность, полностью применимо к транзисторному ГВВ.

Рассмотрим, какими соображениями следует руководствоваться при выборе нижнего угла отсечки выходного тока АЭ ГВВ. Режим работы ГВВ по напряжённости полагаем критическим: .

Чем меньше нижний угол отсечки выходного тока АЭ, тем больше будет КПД анодной, коллекторной цепи, если значение не будет изменяться.

Действительно,

,

а значение коэффициента растёт с уменьшением угла θ (см. рис.5.5,в). Однако, с уменьшением θ уменьшается амплитуда первой гармонической составляющей выходного тока АЭ при неизменной амплитуде импульсов тока за счёт уменьшения коэффициента и, соответственно, снижается колебательная мощность, создаваемая АЭ, например, лампой:

. (6.11)

Очевидно, чтобы сохранить величину колебательной мощности, необходимо увеличивать амплитуду импульсов выходного тока, но при этом будет несколько уменьшаться значение (рис.6.6), что может привести к снижению КПД анодной, коллекторной цепи. Следовательно, существует значение нижнего угла отсечки выходного тока АЭ, при котором обеспечивается максимальное значение КПД анодной, коллекторной цепи при сохранении колебательной мощности .

Рис 6.6

Для критического режима справедливо соотношение, вытекающее из рассмотрения рис.6.6,

из которого следует

(6.12)

Так как то

(6.13)

Если учесть, что

то из (6.13) получается следующее выражение для коэффициента использования анодного напряжения в критическом режиме:

(6.14)

Согласно полученному результату возможны два значения , удовлетворяющих выбранному значению нижнего угла отсечки анодного тока и требуемой мощности. Практический интерес представляет большее значение

(6.15)

так как при этом будет больше КПД анодной цепи

и потребуется меньше амплитуда импульсов анодного тока и амплитуда напряжения возбуждения. Сказанное поясняется рис.6.7, на котором представлены две ДХ анодного тока для критического режима и θ = 90°. Знаки (+), (-) у параметров соответствуют решениям (6.14). Очевидно, если принять меньшее значение , то, отвлекаясь от меньшего при этом значения и большего значения , может оказаться, что лампа не обеспечит требуемую амплитуду импульсов анодного тока из-за физических ограничений на ток эмиссии катода.

Рис 6.7

Используя (6.15), для КПД анодной цепи ГВВ в критическом режиме можно записать

. (6.16)

Так как и являются функциями нижнего угла отсечки анодного тока, то, дифференцируя последнее соотношение по θ и приравнивая производную нулю, можно найти значение нижнего угла отсечки анодного тока, соответствующего максимуму КПД анодной цепи генератора. Возможность существования значения θ, при котором обеспечивается максимум , иллюстрируется качественными зависимостями рис. 6.8.

Значение оптимального угла нижней отсечки анодного тока, соответствующее максимуму КПД анодной цепи при работе генератора в критическом режиме, зачастую оказывается слишком малым, что ведёт к работе ГВВ с большой амплитудой импульсов анодного тока

и большой амплитудой напряжения возбуждения, которая, как следует из (4.12) при
ωt = 0, когда , определяется соотношением

. (6.17)

Аналогично для транзисторного ГВВ.

Может получиться так, что АЭ – лампа, транзистор не может обеспечить требуемую амплитуду импульсов выходного тока, следовательно, и необходимую колебательную мощность. Кроме того, сильно возрастает требуемая мощность возбуждения, что резко снижает коэффициент усиления генератора по мощности , и возрастает величина напряжения смещения.

В силу указанных выше причин работа генератора с оптимальным по КПД углом нижней отсечки выходного тока АЭ часто не может быть осуществлена практически. Кроме того, анализ показывает, что оптимум КПД в зависимости от нижнего угла отсечки θ выходного тока АЭ не очень резко выражен. Поэтому, как правило, нижний угол отсечки анодного тока выбирается в пределах θ = (60… 90)°. При этом КПД анодной цепи в критическом режиме у ГВВ на триодах составляет (60…70)%, а у генераторов на тетродах и пентодах (65…75)%.

У ламп, имеющих ограничение по току эмиссии катода, нижний угол отсечки анодного тока целесообразно выбирать ближе к 90°. При этом получается практически максимальная мощность в критическом режиме ГВВ при хорошем КПД анодной цепи. Если угол отсечки θ взять меньше, то понизится колебательная мощность, создаваемая лампой, хотя КПД анодной цепи может и возрасти при этом. Для ламп с активированными катодами нижний угол отсечки анодного тока выбирается ближе к нижнему пределу θ = 60°. Нужная мощность в этом случае обеспечивается за счёт работы с большей амплитудой импульсов анодного тока, то есть за счёт более полного использования эмиссионных способностей катода.

В целом, так как оптимум зависимости не резко выражен, величина θ может изменяться на (5…10)° в ту или иную сторону от рекомендованных выше значений.

Соображения по выбору нижнего угла отсечки θ коллекторного тока у биполярных транзисторов те же, что и для ламп. Однако транзисторные ГВВ в устройствах генерирования и формирования сигналов (УГФС) в большинстве случаев работают с нулевым смещением , имея при этом θ несколько меньше 90°. В этом случае не нужен дополнительный источник напряжения, что упрощает цепи питания транзистора. Кроме того, для некоторых транзисторов подача запирающего напряжения на базу для получения θ заметно меньше 90° даже недопустима, так как увеличивается обратное напряжение на переходе база-эмиттер . Действительно, мгновенное напряжение на базе согласно (1.1)

,

при этом максимальная величина обратного напряжения определяется из соотношения

.

Увеличение обратного напряжения создаёт угрозу пробоя перехода эмиттер-база. Необходимо, чтобы обратное напряжение не превышало допустимой величины, то есть, чтобы было⁶

,

где - допустимое обратное напряжение на базе (на переходе база-эмиттер). Указывается в справочных данных на транзистор.

К
роме того, чем больше величина запирающего напряжения смещения , тем меньшего уровня можно будет подавать сигнал возбуждения для исключения пробоя перехода эмиттер-база, а это приведёт к снижению выходной мощности транзистора. Сказанное поясняется рис.6.9.

Подавать отпирающее напряжение на базу для получения θ > 90° нецелесообразно, так как при этом снижается КПД коллекторной цепи и возрастает мощность, выделяемая (рассеиваемая) на коллекторе, а также возрастает мощность, выделяемая (рассеиваемая) на базе (см. лекцию 2), что повышает температуру переходов транзистора и этим самым ограничивает, причём весьма существенно, величину полезной (колебательной) мощности, которую может обеспечить транзистор.

Примечание. В лекции 4 при определении эквивалентных параметров аппроксимированных статических ВАХ выходного тока генераторных ламп и биполярных транзисторов использовано выражение

.

В настоящей лекции мы установили, что оптимальным для АЭ режимом работы в ГВВ является критический при нижнем угле отсечки выходного тока вблизи 90°.