Как работает радиолампа. Классы усиления

2. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

Характеристика лампы графически выражает собой зависимость анодного тока i_a от напряжения на сетке U_g при неизменном постоянном напряжении U_a на аноде. Величины напряжений на сетке — в вольтах — отложены по горизонтальной оси: отрицательные напряжения — влево от нуля, положительные — вправо. Величины анодного тока — в миллиамперах — отложены по вертикальной оси, вверх от нуля. Имея перед собой характеристику лампы (фиг. 19), можно быстро определить, чему равен анодный ток при любом напряжении на сетке: при U_g = 0, например, i_a = i_a0 = 8,6 мА. Если интересуют данные при других анодных напряжениях, то вычерчивают не одну характеристику, а несколько: для каждого значения анодного напряжения отдельно. Характеристики для меньших анодных напряжений будут располагаться правее, а для больших — левее. Получается семейство характеристик, пользуясь которым можно определить параметры лампы.

Фиг. 19. Отсчёт анодного тока, когда сетка не заряжена

Напряжение на сетке делаем положительным: U_g = +3 В. Что произошло с анодным током? Он увеличился до 12 мА (фиг. 20). Положительно заряженная сетка притягивает электроны и тем самым «подталкивает» их к аноду. Чем больше положительное напряжение на сетке, тем более это воздействие её на поток электронов, что приводит к увеличению анодного тока. Но наступает такой момент, при котором возрастание замедляется, характеристика получает изгиб (верхний сгиб) и, наконец, анодный ток совершенно перестаёт возрастать (горизонтальный участок характеристики). Это — насыщение: все электроны, испускаемые накалённым катодом, полностью отбираются от него анодом и сеткой. При данном анодном напряжении и напряжении накала анодный ток лампы сделаться больше тока насыщения i_s не может.

Фиг. 20. Отсчёт анодного тока, когда сетка имеет положительный заряд

Напряжение на сетке делаем отрицательным, переходим в область левее вертикальной оси, в «левую область». Чем больше отрицательное напряжение на сетке, чем дальше влево, тем меньше становится анодный ток. При U_g = -4 В анодный ток уменьшается до i_a = 3 мА (фиг. 21). Объясняется это тем, что отрицательно заряженная сетка отталкивает электроны обратно к катоду, не пропуская их к аноду. Обратите внимание на то, что в нижней части характеристики также получается сгиб, как и в верхней. Как будет ясно из дальнейшего, наличие сгибов значительно ухудшает работу лампы. Чем прямолинейнее характеристика, тем лучше усилительная лампа.

Фиг. 21. Отсчёт анодного тока, когда сетка имеет небольшой отрицательный заряд

Сделаем отрицательное напряжение на сетке настолько большим, чтобы сетка отталкивала от себя все электроны обратно к катоду, совершенно не пропуская их к аноду. Поток электронов обрывается, анодный ток делается равным нулю. Лампа «запирается» (фиг. 22). Напряжение на сетке, при котором происходит «запирание» лампы, называется ”напряжением запирания” (обозначено U_{g зап}). Для взятой нами характеристики U_{g зап} = -9 В. ”Отпереть” лампу можно уменьшением отрицательного напряжения на сетке или же увеличением анодного напряжения.

Фиг. 22. Лампа ”заперта”

Установив постоянное напряжение на аноде, можно менять анодный ток i_a от нуля (i_a = 0) до максимума (i_a = i_s) изменением напряжения на сетке в пределах от U_{g зап} до U_gs (фиг. 23). Так как сетка расположена к катоду ближе, чем анод, то достаточно лишь немного изменить сеточное напряжение, чтобы значительно изменить анодный ток. В нашем случае достаточно изменить напряжение на сетке всего лишь на 14,5 В, чтобы уменьшить анодный ток от максимума до нуля. Воздействие сеточного напряжения на поток электронов — исключительно удобная возможность управления величиной электрического тока, в особенности если учесть, что это воздействие осуществляется мгновенно, безынерционно.

Фиг. 23. ”Пределы” изменения анодного тока в зависимости от напряжения сетки при заданном напряжении анода

Будем равномерно и непрерывно менять напряжение на сетке, делая его то положительным, то отрицательным. С этой целью подведём к сетке переменное напряжение U_mg1, называемое напряжением возбуждения лампы. График этого напряжения (синусоида) нанесён на вертикальной оси времени t, идущей вниз от нуля. Анодный ток будет пульсировать — периодически увеличиваться и уменьшаться — с частотой, равной частоте напряжения возбуждения. График пульсаций анодного тока, повторяющий по своей форме график напряжения возбуждения, нанесён вдоль горизонтальной оси времени t вправо от характеристики. Чем больше величина U_mg1, тем в бо́льших пределах изменяется анодный ток (сравните U_mg1 и I_ma1 с U_mg2 и I_ma2) (фиг. 24). Точка а на характеристике, соответствующая среднему значению напряжения на сетке и току покоя в анодной цепи, называется рабочей точкой.

Фиг. 24. Переменное напряжение на сетке создаёт пульсирующий анодный ток

Что произойдёт, если в анодную цепь лампы (схема слева) включить сопротивление R_a? Через него будет проходить анодный ток i_a, вследствие чего на нем получится падение напряжения U_Ra, пульсирующее с частотой напряжения возбуждения. Пульсирующее напряжение, как известно, состоит из двух слагаемых: постоянной (в нашем случае U_Ra=) и переменной (U_ma). При правильно выбранной величине R_a переменная слагаемая анодного напряжения U_ma в усилителях напряжения оказывается больше U_mg, т. е. осуществляется усиление переменного напряжения. Отношение U_ma к U_mg называется коэффициентом усиления схемы. Если усиление, производимое одной лампой, недостаточно, то усиленное первой лампой напряжение подают ко второй лампе, а от второй — к третьей и т. д. Так осуществляется каскадное усиление (фиг. 25). На фигуре справа приведены сильно упрощённые схемы трехкаскадных усилителей: наверху — на сопротивлениях, а внизу — на трансформаторах.

Фиг. 25. Как работают усилители

На фиг. 26 показана такая же характеристика лампы, как и на фиг. 24, только без верхнего и нижнего плавных сгибов. Это — идеализированная характеристика. Сравните между собой фиг. 24 и 26 и вы увидите, к чему приводит наличие сгибов на реальной характеристике. Они вызывают искажения в анодной цепи формы кривой усиливаемых колебаний, а эти искажения недопустимы, в особенности, когда они большие. Громкоговоритель, присоединённый к усилителю, работающему с искажениями, воспроизводит хриплые звуки, речь становится неразборчивой, пение — неестественным и т. п. Такие искажения, обусловленные нелинейностью ламповой характеристики, называются нелинейными. Их совершенно не будет, если характеристика строго линейна: здесь график колебаний анодного тока в точности повторяет график колебаний напряжения на сетке.

Фиг. 26. Характеристика лампы, работающей без искажений

Характеристики большинства усилительных ламп в своей средней части прямолинейны. Напрашивается вывод: использовать не всю характеристику лампы вместе со сгибами, а только прямолинейный средний участок её (фиг. 27). Это избавит усиление от нелинейных искажений. Чтобы это осуществить, напряжение на сетке не должно превышать в сторону отрицательных значений -U_g1, а в сторону положительных значений +U_g2. Величина анодного тока при этом будет меняться в суженных пределах: не от i_a = 0 до i_a = i_s (фиг. 23), а от i_a1 до i_a2. В этих пределах ламповая характеристика совершенно линейна, искажений не получится, но зато лампа будет использована не до пределов своих возможностей, её коэффициент полезного действия (к. п .д.) окажется низким. В тех случаях, когда необходимо получить неискажённое усиление, с этим обстоятельством приходится мириться.

Фиг. 27. Как устранить искажения при усилении

К сожалению, нелинейными искажениями дело не ограничивается. В моменты, когда сетка заряжена положительно, она притягивает к себе электроны, отнимая некоторое их количество от общего потока, направленного к аноду. Благодаря этому в цепи сетки возникает сеточный ток. Анодный ток уменьшается на величину сеточного тока, причём это уменьшение получается тем более резко выраженным, чем больше положительное напряжение на сетке. Вследствие этого при положительных импульсах сеточного напряжения опять появляются искажения формы анодного тока. Избавиться от этих искажений можно: в процессе усиления напряжение на сетке никогда не должно быть положительным и даже лучше, если оно вообще не доходит до нуля (фиг. 28). Его надо всегда поддерживать отрицательным, и тогда сеточного тока не будет совершенно. Это требование ведёт к ещё большему сокращению длины используемой части характеристики: правее линии ВГ — токи сетки, левее линии АБ — нелинейные искажения. МН — вот участок характеристики, при использовании которого можно полностью избавиться от искажений в лампе; к. п. д. при этом становится ещё меньше.

Фиг. 28. Как устранить искажения, вносимые наличием сеточного тока

Но как использовать участок МН? Если к сетке подвести лишь напряжение возбуждения U_mg, как на фиг. 24 и 26, то неизбежен заход в правую область, в область сеточных токов. Подведём сначала к сетке постоянное отрицательное напряжение U_g0 такой величины, чтобы рабочая точка а сместилась влево по характеристике и оказалась как раз посредине участка МН (фиг. 29). Затем подадим к сетке напряжение возбуждения U_mg. Заход в правую область будет устранён, если величина U_mg не превысит U_g0, т.е. если U_mg<U_g0. Работая при таких условиях, лампа не будет вносить искажений. Этот режим работы лампы получил название режима А. Батарея, напряжение которой смещает по характеристике рабочую точку, называется батареей смещения, а её напряжение U_g0 — напряжением смещения.

Фиг. 29. Работа лампы в режиме А

Среди других режимов низкочастотного усиления режим А — самый неэкономичный: только в отдельных случаях к. п .д. достигает 30–35%, вообще же он поддерживается на уровне 15–20%. Но зато этот режим — самый «чистый», режим с наименьшими искажениями. Его применяют довольно часто, причём, главным образом, в маломощных (до 10–20 Вт) усилительных каскадах, в которых к. п. д. не имеет особо важного значения. У усилительных ламп с круто обрывающейся характеристикой нижний сгиб сравнительно короткий. Пренебрегая внесением незначительных нелинейных искажений (совершенно, кстати, не обнаруживаемых при прослушивании звуковой программы), можно допустить более экономичное использование лампы и включить нижний изгиб в рабочий участок МН характеристики (фиг. 30). Такой режим лампы ещё сохраняет за собой название режима А.

Фиг. 30. Работа лампы в режиме А с использованием нижнего изгиба характеристики

В учебниках встречается такое определение режима усиления класса А: это — режим, при котором лампа работает без отсечки анодного тока. На фиг. 31 мы показываем, что такое отсечка. Напряжение возбуждения U_mg настолько велико, что в течение некоторой части периода U_mg лампа совершенно ”запирается”, ток через лампу прекращается. Нижние части кривой анодного тока не воспроизводятся и как бы отсекаются — отсюда и название ”отсечка”. Отсечка может быть не только снизу, но и сверху (”верхняя отсечка”, см. фиг. 38), когда импульс анодного тока превышает ток насыщения лампы. Итак, режим А — режим усиления без отсечки. Руководствуясь этим определением, мы могли бы отнести к этому режиму и процессы, графически представленные на фиг. 24 (при U_mg2), фиг. 26 (то же при U_mg2), фиг. 29 и 30. Но, повторяем, режим А — режим без искажений: такому условию удовлетворяет в полной мере лишь процесс, представленный на фиг. 29.

Фиг. 31. Лампа работает с отсечкой

Широкое распространение получила двухтактная схема усилителя, работающего в режиме А, иначе называемая пушпульной схемой (от английских слов «пуш» — толкать и «пул» — тянуть). В этой схеме использована не одна, а две одинаковые лампы. Напряжение возбуждения подаётся так, что когда одна сетка заряжается положительно, другая заряжается отрицательно. Благодаря этому возрастание анодного тока одной лампы сопровождается одновременным уменьшением тока другой лампы. Но импульсы токов в анодной цепи складываются и в ней получается результирующий переменный ток, равный удвоенной величине тока одной лампы, т. е. i_ma = i_ma1+i_ma2. Это гораздо легче представить, если одну характеристику расположить в перевёрнутом виде под другой: сразу становится понятным, как напряжение U_mg («раскачка») действует на токи в лампах (фиг. 32). Двухтактная схема работает более экономично и с меньшими нелинейными искажениями, нежели однотактная. Чаще всего эта схема применяется в оконечных (выходных) каскадах усилителей средней и большой мощности.

Фиг. 32. Как работает пушпульная схема

Рассмотрим такой случай: на сетку лампы подано напряжение смещения U_g0 = U_{g зап}. Тем самым рабочая точка помещена на самый низ характеристики. Лампа ”заперта”, её анодный ток в момент покоя равен нулю. Если в таких условиях к лампе подвести напряжение возбуждения U_mg, то в анодной цепи появятся импульсы тока i_ma в форме ”половинок периодов”. Иначе говоря, кривая усиливаемых колебаний U_mg исказится до неузнаваемости: срежется вся её нижняя половина (фиг. 33). Такой режим может показаться совершенно непригодным для низкочастотного усиления — слишком уж велики искажения. Но подождём делать этот вывод о непригодности.

Фиг. 33. Работа лампы, когда рабочая точка сдвинута в начало характеристик

Спрямим у характеристики (фиг. 33) нижний сгиб, превратим реальную характеристику в идеализированную, совершенно прямолинейную (фиг. 34). Нелинейные искажения вследствие наличия нижнего сгиба пропадут, но останется срез половины кривой усиливаемых колебаний. Если бы удалось этот недостаток устранить или компенсировать, такой режим можно было бы использовать для низкочастотного усиления. Он выгоден: в моменты пауз, когда напряжение возбуждения U_mg не подаётся, лампа заперта и не потребляет от источника анодного напряжения электрический ток. Но как устранить или компенсировать срезание половины кривой? Возьмём не одну лампу, а две, и заставим их работать попеременно: одну — от одного полупериода напряжения возбуждения, а другую — от другого, следующего за первым. Когда одна лампа будет «отпираться», другая в этот момент начнёт «запираться», и наоборот. Каждая лампа в отдельности будет воспроизводить свою половину кривой, а совместным их действием будет воспроизведена полностью вся кривая. Искажение устранится. Но как для этого соединить лампы?

Фиг. 34. Работа лампы с полной отсечкой

Конечно, по двухтактной схеме, изображённой на фиг. 32. Только на сетку каждой из ламп в этой схеме придётся подать напряжение смещения U_g0 = U_{g зап}. Пока напряжение возбуждения U_mg не подаётся, обе лампы ”заперты”, их анодные токи равны нулю. Но вот подано напряжение U_mg, и лампы поочерёдно начинают ”отпираться” и ”запираться” (фиг. 35), работая импульсами, толчками (отсюда и название режима — ”пуш-пуш” — ”толкай-толкай”). В этом отличие схемы ”пуш-пуш” от схемы ”пуш-пул” (фиг. 32), работающей в режиме А. В случае пушпульного режима лампы работают одновременно, тогда как в ”пушпушном” — по очереди. Если характеристики ламп совершенно прямолинейны, лампы в точности одинаковы и отсечки у каждой из них выбраны правильно, то искажений не получается совершенно. Такой режим усиления, применимый только для двухтактных схем, получил название идеального режима В.

Фиг. 35. Работа двухтактной схемы в режиме В

Но в реальном режиме В, с реальными характеристиками, неизбежны нелинейные искажения из-за нижнего сгиба. Это и заставляет во многих случаях отказываться от использования режима В, вообще наиболее экономичного из всех режимов низкочастотного усиления. Какой же режим низкочастотного усиления может быть рекомендован? Режим А, как мы теперь знаем, мало экономичен, и его применение в мощных усилителях не всегда оправдывается. Он хорош только для маломощных каскадов. Случаи использования режима В также ограничены. Но есть режим, занимающий промежуточное положение между режимами А и В, — это режим АВ. Однако, прежде чем ознакомиться с ним, укажем на принятое подразделение существующих режимов усиления. Если в процессе усиления получается заход в область сеточных токов, в правую область, то к названию режима прибавляется индекс 2, если же работа производится без токов сетки, — индекс 1. Так различают режимы В1 и В2 (фиг. 36), режимы АВ1 и АВ2. Обозначения A1 и А2 почти не встречаются: режим А — режим совершенно без искажений, а значит, и без токов сетки. Просто — режим А.

Фиг. 36. Чем отличается работа двухтактной схемы в режимах В1 и В2

Теперь ознакомимся с режимом АВ. В этом режиме, как и в режиме В, лампы работают с отсечкой анодного тока, но рабочая точка на характеристике находится правее и выше, нежели в режиме В. В моменты пауз токи через лампы не прекращаются, хотя они и не велики (i_a1 и i_a2). Положение рабочей точки РТ определяется таким условием: результирующая характеристика АБВГ ламп, работающих в двухтактной схеме (для однотактных схем режим АВ вообще непригоден), должна быть как можно прямолинейнее. В то же время токи i_a1 и i_a2 желательно иметь малыми, поскольку этим во многом определяется к. п. д. Этим условиям удовлетворяет положение рабочей точки РТ, указанное на фиг. 37. Режим АВ2 более экономичный, чем режим АВ1, (к. п. д. в режиме АВ2 достигает 65%, тогда как в режиме АВ1, — лишь 50%); он применяется в каскадах большой — более 100 Вт — мощности. В каскадах средней мощности — до 100 Вт — рекомендуется режим АВ1. Искажения в режиме АВ2 заметно больше, нежели в режиме АВ1.

Фиг. 37. Работа двухтактной схемы в режиме АВ

Наконец, известен ещё один режим усиления — режим С. Он характерен тем, что рабочая точка в этом режиме находится левее положения на оси сеточных напряжений, при котором лампа ”запирается”. На сетку лампы подаётся отрицательное напряжение смешения U_g0>U_{g зап}. В моменты пауз лампа ”заперта”, и она ”отпирается” только для того, чтобы пропустить кратковременный импульс тока, длящийся менее половины периода U_mg. Обычно U_mg по абсолютному значению больше U_g0, вследствие чего осуществляется заход в область сеточных токов и даже имеет место верхняя отсечка (как показано на фиг. 38 для U_mg2). Искажения в режиме С настолько велики, что этот режим непригоден для низкочастотного усиления. Но он наиболее экономичен из всех режимов вообще (к. п. д. до 75–80%) и поэтому применяется для усиления высокочастотных колебаний в радиопередающих устройствах, где нелинейные искажения не имеют такого значения, как в технике низкочастотного усиления.

Фиг. 38. Работа лампы в режиме С