Схемы применения электронных ламп

При использовании электронной лампы возникает проблема выбора наиболее рациональной схемы присоединения ее электродов к источнику управляющего сигнала, источникам питания и к нагрузке. Основным требованием при этом является необходимость соблюдения заданного режима работы.

Рассмотрим в первую очередь включение источника входного сигнала в цепь сетки в схемах с общим катодом. Будем считать, что на остальных электродах созданы необходимые потенциалы постоянной величины.

Рис. 2.21. Примеры входных цепей каскадов с общим катодом

и общим анодом

Наиболее просто подавать входной сигнал непосредственно между сеткой и катодом (рис. 2.21, а). Однако этот сигнал е_вх, служащий для управления лампой, в общем случае может содержать и постоянные, и переменные составляющие: е_вх = е + е₀. При таком включении может изменяться режим работы лампы, так как постоянная составляющая входного сигнала е₀ добавляется к потенциалу специального источника смещения е_с0. Если значение е₀ недостаточно постоянно, то суммарное смещение u_с0 = е_с0 + е₀ также будет изменяться и нарушать заданный режим работы. В тех случаях, когда требуется поддержание u_с0 = const, а постоянство е₀ или его сравнительную малость гарантировать нельзя, применяют сложные входные схемы.

В сложных схемах производится разделение постоянных и переменных составляющих тока. Чаще всего такое разделение осуществляется с помощью реактивных элементов электрической цепи, сопротивление которых зависит от частоты. Пример сложной цепи, применяемой для включения входного сигнала, изображен на рис. 2.21, б. Принцип разделения постоянных и переменных составляющих, в этой схеме очевиден. Следует напомнить, что применение реактивного элемента обязательно влечёт за собой появление зависимости коэффициента передачи входной цепи от частоты. Характер получающихся зависимостей виден из амплитудно-частотных характеристик, также приведенных на рисунке.

В случае необходимости, кроме разделения составляющих, также увеличить амплитуду сигнала применяется трансформатор (рис. 2.21, в). Если же требуется выделение не всех переменных составляющих, а одной из них или некоторой полосы частот, то применяются схемы с резонансными цепями (рис. 2.21, г и д).

Из всех схем, приведенных на рисунке, для медленных изменений входного напряжения (ω→0) пригодна, очевидно, только первая, простейшая. Если при этой е₀ имеет большую величину, то приходится вводить добавочное компенсирующее смещение

e_доб~-е₀. (70)

Следует отметить, что не всегда можно считать элементы цепи идеальными. Это особенно относится к схеме рис. 2.21, б, так как реальный конденсатор обязательно имеет некоторую утечку между пластинами вследствие несовершенства изоляции.

Обычно желательно брать R_с<10⁷ ом. Отсюда следует, что составлять такую схему вообще без R_с (R_с→∞) в обычных условиях работы, когда постоянная составляющая входного сигнала может изменяться, недопустимо. При отсутствии постоянной составляющей также рекомендуется ставить R_с, чтобы избавиться от возможных падений потенциала на сопротивлении конденсатора за счёт неточного тока лампы.

В схеме включения лампы с общим анодом сохраняются те же принципы подключения источника сигнала. Различие состоит лишь в том, что источник включается не между сеткой и катодом, а между сеткой и анодом (по переменной составляющей). Подключение источника сигнала может быть по-прежнему непосредственным, через разделительную RC-цепь, трансформаторным, автотрансформаторным и т. д.

Некоторые особенности подачи сигнала возникают в схеме с общей сеткой. При непосредственном включении источника сигнала в схему (рис. 2.22, а) через источник протекает постоянная составляющая тока лампы. Так как входное сопротивление схемы мало, необходимо требовать малости Внутреннего сопротивления источника сигнала. Подключение источника к схеме с общей сеткой через разделительную RC-цепь (рис. 2.22, б) используется редко, так как при малом входном сопротивлении схемы требуется весьма большая емкость разделительного конденсатора, а кроме того, за счет сопротивления в цепи катода (R_к) входное сопротивление схемы становится еще меньше.

Наиболее удобно применение входных цепей с трансформаторным и автотрансформаторным включением (рис. 2.22, в, г), в которых удается эффективно согласовать сопротивление источника сигнала с входным сопротивлением схемы. Такое согласование основано на известном для трансформаторов соотношении

R_вн=n²R_н. (71)

Рис 2.22. Примеры входных цепей в схемах с общей сеткой

Если внутреннее сопротивление источника сигнала R_сигн, а входное «сопротивление схемы R_вх, то выбором коэффициента трансформации можно удовлетворить условию

R_сигн= n²R_вх. (72)

что соответствует наилучшей передаче мощности от источника схеме.

Рассмотрим теперь принципы составления выходных схем, служащих для присоединения к. лампе нагрузки в схемах с общим катодом и общей сеткой (рис. 2.23). Если сопротивление нагрузки очень велико (R_н>>R_i), то прохождение через нее постоянной составляющей анодного тока лампы приведет к нарушению режима ее работы (уменьшается u_а0). Кроме того, не через всякую нагрузку желательно прохождение постоянной составляющей тока. И тот и другой недостатки присущи простейшей схеме включения, изображенной на рис. 2.23, а (справа — ее амплитудно-частотная характеристика).

Для разделения постоянной и переменной составляющих также могут применяться сложные схемы с реактивными элементами. Несколько таких схем и их амплитудно-частотные характеристики приведены на рис. 2.23, б, в, г, д.

Особенно следует отметить применение в выходных схемах трансформатора. При помощи трансформатора можно выделить внагрузке максимальную мощность для любых значений R_i и R_н. Сэтой целью подбирают коэффициент трансформации таким образом, чтобы n²R_н=R_i. Присоединение нагрузки к лампе через трансформатор применяется очень часто. Недостатком такого включения является существование частотной зависимости п (ω).

В схемах с общим анодом и общей сеткой используются те же принципы включения нагрузки а цепь лампы, отличие состоит лишь в подключении электродов лампы к нагрузке в соответствии с основной идеей построения различных схем. В схеме с общим анодом необходимо учитывать малость выходного сопротивления. В такой схеме непосредственное включение колебательного контура всхему (см. рис. 2.23, г) нерационально.

Рис. 2.23. Примеры выходных цепей в схемах с общим катодом

и общей сеткой.

Теперь познакомимся со способами подачи постоянных потенциалов на сетки ламп. Простейшим из них является включение специальных батарей, как это сделано, на схемах рис.2.21—2.23. Однако в сложных схемах с несколькими лампами такой способ неудобен из-за необходимости большого числа отдельных батарей. Поэтому чаще вместо последних используется падение потенциала на сопротивлении при прохождении через него тока, потребляемого одним из электродов лампы. Этот способ подачи потенциала на сетку называется автоматическим смещением (подразумевается смещение рабочей точки).

В трехэлектродной лампе автоматическое смещение на сетке может быть получено включением сопротивления в цепь, по которой проходит анодный ток. Для создания разности потенциалов между сеткой и катодом сопротивление R_к должно также входить в цепь сетки — катода лампы и его приходится включать так, как изображено на рис. 2.24 для схемы с общим катодом.

При этом сетка находится под отрицательным потенциалом по отношению к катоду, что обычно и требуется.

Падение потенциала u_с0 на сопротивлении R_к (рис. 2.24, а) определяется по характеристикам или параметрам лампы. При заданном потенциале анода лампы (или источника питания при известном сопротивлении в анодной цепи) известен и ток в цепи анода i_а0 протекающий при u_с=u_с0. Тогда, очевидно,

(73)

(так как при u_со<0, i _с~0 и i_к ~ i_а0).

Рис. 2.24. Схемы создания постоянных потенциалов на электродах лампы для обеспечения нормального режима

Точно так же задается потенциал экранирующей сетки. Обычно он должен быть несколько меньше потенциала анода, и сопротивление автоматического смещения R_с2 (рис. 2.24, б) включается в цепь между экранирующей сеткой и анодом лампы.

Так как сетка находится по отношению к катоду под положительным потенциалом, то через нее протекает заметный ток (i_с2). Присоединять сопротивление непосредственно к аноду лампы нельзя, так как его потенциал при действии сигнала на управляющей сетке меняется, поэтому сопротивление присоединяется не непосредственно к аноду, а к источнику питания.

При таком включении

u_с2=e_п- i_а0R_к-i_с2R_с2=e_п-u_с10 –u_с20. (74)

Для большинства ламп

(75)

Поэтому обычно

Приведенные способы дают постоянное смещение только при условии i _к=const в первой схеме и i _к2=const во второй. При наличии входного сигнала эти условия, очевидно, не будут соблюдаться. Подаваемый на вход усилителя сигнал изменяет потенциал сетки, а следовательно, и величину анодного тока. Но, так как i_а~i_к (предполагается отсутствие сеточного тока), изменится и ток i_к, от которого зависит величина сеточного смещения и_с0 = i_кR_к. Таким образом, автоматическое смещение на первой, управляющей, сетке в том виде, в каком оно осуществлено на схеме рис. 2.24, а, ослабляет действие входного сигнала:

Δu_ск = Δu _вх — Δu_с0, (76)

где Δu_ск — изменение сигнала между сеткой и катодом лампы, Δu _вх и Δu_с0 — соответственно изменения входного сигнала и потенциала смещения.

Для уменьшения встречного, ослабляющего действия изменений автоматического смещения необходимо сделать u_с0 =const. То же условие, очевидно, справедливо для экранирующей сетки, нормальная работа которой требует поддержания на ней постоянного потенциала.

Режим постоянного потенциала при помощи автоматического смещения достигается весьма просто включением дополнительных цепей с малым сопротивлением для переменных составляющих тока (цепей фильтрации). Осуществление фильтрации обычно производится применением конденсаторов (С_к и С_с2, рис. 2.24, в и г). Величина емкости этих конденсаторов определяется из очевидных условий:

(77)

где ω — частота усиливаемого сигнала.

Конечно, такие схемы фильтрации удовлетворительно работают только при не очень малых значениях частоты. На низких частотах их действие ухудшается и при ω→0 прекращается совершенно.

На рис. 2.25, а дан пример схемы одного каскада (ступени) усиления с применением пентода и цепей автоматического смещения. На рис. 2.25, б показан двухкаскадный усилитель того же типа.

В первой схеме конденсатор С_С2 замыкает переменную составляющую тока i _с2, на катод лампы (точка б на схеме), а во второй на точку в.

Если выполняется условие u_с0 =const., то разницы между обеими схемами нет, так как требуемое условие неизменности потенциалов и_С2 по-прежнему соблюдается. В схеме рис. 2.25 применено также включение конденсатора параллельно источнику питания, уменьшающее его внутреннее сопротивление для переменного тока. Благодаря наличию конденсаторов С_к и С_С2, обеспечивающих постоянство и_с0 и и_с2, эквивалентная схема пентода с цепями автоматического смещения совпадает с ранее рассмотренной схемой для триода с общим катодом.

Рис. 2.25. Примеры одно- и двухкаскадного усилителя на пентодах

(точки а — а — выводы подогревателя катода).

Способы подачи постоянных потенциалов на электроды лампы в схемах с общим анодом и общей сеткой основываются на тех же принципах. Сопротивление нагрузки R_к в схеме с общим анодом, включенное в цепь катода, обеспечивает отрицательное смещение на сетке лампы. Однако при произвольном выборе величины R_к (точнее при выборе величины R_к из требований к системе в целом) смещение рабочей точки может быть как недостаточным (при R_к < R_ко), так и излишним (при R_к > R_ко; R_ко — сопротивление, обеспечивающее нормальное смещение на сетке). В первом случае используется схема рис. 2.26, а, содержащая дополнительную цепь автоматического смещения так, чтобы суммарное сопротивление в цепи катода- (R_к + R_{к 1}) создавало необходимое смещение. Во втором случае (излишнего смещения при R_к > R_ко) используется схема частичного включения падения потенциала на сопротивлении в цепи катода (рис. 2.26, б) где R_к1=R_к0, а R_к1+R_к2=R_к или схема дополнительного положительного смещения (рис. 2.26, в), в которой положительный, потенциал сетки рассчитывается по очевидной формуле u_сдоп=i_аоR_к–u_{с0 ,} а соотношение сопротивлений R₁ и R₂ определяется выражением

(78)

Пример создания автоматического смещения в схеме с общей сеткой приведен на рис. 2.26, г, где R_к=u_c0i_c0.

Рис. 2.26.

Емкость конденсаторов С_к в схемах рис. 2.26 выбирается из тех же соображений, что и в схеме с общим катодом.