Почему именно ламповые РА - теперь, когда появились новые высококачественные транзисторы, в том числе сборки на одном кристалле?
Ответ очень прост. Ламповый РА гораздо проще, надежнее, легко поддается расчету, может работать на различную нагрузку, в том числе и на рассогласованную. Его легче изготовить и настроить в домашних условиях, он более линеен, имеет меньший уровень TVI. Главных недостатков у него два:
- требуетя подогрев катода (нельзя мгновенно включиться в работу),
- высокое анодное напряжение, которого надо бояться (именно!), и при работе с ним надо не забыть принять все меры предосторожности. Транзисторные РА не имеют этих недостатков, но у них есть свои:
- гораздо меньшая надежность,
- дефицитность,
- и что немаловажно дороговизна транзисторов. Кроме того, при работе с ними на реальную антенну необходимо согласующее устройство, ручное или автоматическое. Лампы же имеются у многих радиолюбителей, и еще не одно десятилетие будут служить верой и правдой.
Теперь необходимый минимум теории. При любой схеме включения, в анодную цепь лампы входит колебательный контур. Для эффективной передачи энергии в контур и поддержания в нем наибольших амплитуд колебаний ток в общей цепи, питающей контур, должен протекать периодически в такт с возбуждающими колебаниями. Эту задачу и решает электронная лампа. При помощи нелинейных характеристик ламп очень эффективно происходит процесс преобразования энергии источника анодного питания Еа в энергию электромагнитных колебаний контура. Для эффективного процесса усиления высокочастотных колебаний контур в аноде настроен в резонанс на частоте возбуждающего напряжения, которое подается на сетку, и представляет собой активное сопротивление для первой гормоники (основной) усиленного сигнала, см. рис 1. При подачи возбуждающего напряжения на управляющую сетку лампы анодный ток начинает изменяться, увеличиваясь при увеличении напряжения возбуждения и уменьшаясь при уменьшении напряжения возбуждения соответственно. При увеличении анодного тока на контуре увеличивается падение высокочастотного напряжения в соответствии с законом Ома. В данный отрезок времени мгновенная величина анодного напряжения будет изменятся в зависимости от высокочастотного напряжения на аноде:
ea = Ea-Uа · cos2pft где Ea - наряжение источника анодного питания, Uа · cos2pft - высокочастотное напряжение на аноде f - частота усиливаемого сигнала, t - время.
При отрицательной полуволне возбуждающего напряжения на аноде максимально и равно.
ea = Ea+Uа При положительной полуволне:
ea = Ea-Uа Анодный ток и анодное напряжение находятся в противофазе, следовательно, максимум анодного тока соответствует минимуму анодного напряжения, и наоборот.
Пропорционально изменению анодного напряжения меняется величина электрического поля внутри лампы, с которым взаимодействуют электроны, летящие от катода к аноду. Из физики известно, что если электроны тормозятся, то они отдают часть своей кинетической энергии источнику торможения - колебательной системе и наоборот, ускоряясь, они забирают часть энергии, запасенной контуром. Когда электроны отдают свою кинетическую энергию, анод при этом сильно разогревается. Большой анодный ток при торможении и малый анодный ток при ускорении электронов при настроенном в резонанас анодном контуре получается автоматически.
Применяются в основном две схемы - с общим катодом и с общими сетками (по наименованию электрода, который соединяется с общим проводом), приведенные на рис. 1а и рис. 1б соответственно. Схема с общим катодом дает большее усиление по мощности, но схема с общими сетками более устойчива, так как заземленная по высокой частоте сетка является электростатическим экраном между катодом и анодом. В схеме с общим катодом изменения настройки анодной цепи мало влияют на входную цепь. В схеме же с общими сетками существует большая реакция входной цепи на изменения настройки выходного контура (анодной цепи).
Независимо от этого существует два способа подачи анодного напряжения - параллельное и последовательное анодное питание (рис. 1а и рис. 1б). В схеме с параллельным питанием на элементах контура нет постоянного напряжения, но анодный дроссель по переменному току подключен параллельно выходному контуру в точке с максимальным высокочастотным потенциалом, что уменьшает индуктивность П-контура, увеличивает его начальную емкость, уменьшает добротность, кроме этого параллельно П-контуру подключено и внутреннее сопротивление лампы, которое у триодов невелико. Все это отрицательно сказывается на работе РА. Это особенно заметно на частотах выше 15 Мгц и особенно 25 Мгц, где часто не удается получить оптимальное сопротивление контура. Все это вызывает уменьшение отдававемой мощности на высокочастотных диапазонах.
Схема с последовательным питанием не имеет этих недостатков, но в ней на контуре присутствует постоянное напряжение, что создает неудобство при настройке и эксплуатации РА, требует повышенной электрической прочности элементов выходного каскада.
Рассмотрим режимы работы РА. При его работе на управляющую сетку радиолампы подается высокочастотное напряжение возбуждения и напряжение смещения, что определяет положение рабочей точки усилителя. Отношение амплитудного напряжения на аноде к напряжению анодного питания называется коэффициентом использования анодного напряжения, или коэффициентом напряженности режима:
x = Uаmax/Ea Обычно x равняется 0,6...0,9. Следовательно, напряжение на аноде лампы может достигать почти удвоенного напряжения питания, что надо иметь ввиду при выборе разделительного конденсатора.
От режима работы зависят все энергетические показатели. Режим усилителя определяется формой импульса анодного тока, отношением тока сеток к току анода, коэффициентом напряженности режима, который в свою очередь определяется положением рабочей точки усилителя, напряжением возбуждения, величиной и характером нагрузки.
По режиму работы различают усилители классов А, АB, B и C. На рис. 2 показаны графики зависимости анодного тока от напряжения на управляюшей сетке для этих режимов. В классе А рабочую точку выбирают посередине линейного участка характеристики. Искажения сигнала минимальны и не превышают - 50 дБ, но велик ток покоя, а коэффициент полезного действия (КПД) мал, и составляет 20...30%. Вследствии чего режим А применяется только в предварительных каскадах усиления и когда требуется получить абсолютно линейный сигнал, несмотря на его неэкономичность. Например, в случае, когда РА создает сильные помехи бытовой радиоаппаратуре, от которых иногда не удается избавится другим путем.
Если амплитудное значение напряжения возбуждения равно или меньше напряжения смещения, то сеточного тока нет, и такой режим обозначается индексом 1, например AB1. Если амплитуда возбуждения превышает напряжение возбуждения - появляется сеточный ток, и режим обозначается индексом AB2 или B2. Нелинейные искажения усилителя работающего в классе AB1 не превышают уровень - 40дБ. Класс B соответствует положению рабочей точки на нижнем сгибе анодно-сеточной характеристики радиолампы. Угол отсечки (q), равный половине длительности анодного импульса, выраженный в градусах, равен 90°, т.е. половину времени усилитель заперт. Нелинейные искажения в этом случае порядка - 20 дБ. В классе C усилитель заперт при отсутствии сигнала, ток покоя отсутствует, угол отсечки q меньше 90°. В классе С усилитель мощности обычно работает с сеточным током, поэтому индекс 2 не ставится. Нелинейные искажения весьма значительны.
Анодный контур запасая энергию, от пиков анодного тока, отдает ее в течение всего периода колебания, придавая ей синусоидальную форму. Для получения хорошей формы сигнала добротность нагруженного контура Q должна быть не менее 10...20. Обычно принимается равной 12. Для телеграфа наиболее подходит класс С, как самый экономичный. Для SSB подходит класс AB1, т.к. класс С дает сильные искажения огибающей SSB-сигнала. Класс В может применяться для усиления SSB-сигнала, но только в усилителях собранных по схеме с общими сетками, т.к. в этом случае линейность повышается на 6 дБ из-за 100% отрицательной обратной связи. Желательно ее увеличить, включив в цепь катода резистор, равный 10...30 ом, что дополнительно увеличивает линейность на 10...15 дБ. Очень перспективным вариантом для класса В является двухтактная схема, при этом выходной сигнал по качеству приближается к классу А, теоретически отсутствуют вторая и третья гармоники, усилитель очень линеен и экономичен. Это оправдывает определенное усложнение схемы.
Так как в режимах работы AB1, B и C анодный ток носит импульсный характер и протекает через лампу менее периода, коэффициент полезного действия оказывается выше, чем в классе А, и составляет: в классе АВ1 - 50...55%, в классе В - 60...70%, в классе С - 80...90%. Вследствии импульсного характера анодного тока в режимах АВ1 В и С в нем появляются токи высших гармоник. Чем меньше угол отсечки, тем больше в нем токов гармоник и тем больше их амплитуды. Анодный ток состоит из постоянной составляющей и первой (основной) гармоники, а так же второй, третьей гармоники и так далее. Относительные величины амплитуды каждой частотной составляющей спектра выражаются коэффициентами разложения импульса, которые равняются отношению амплитуды данной частотной составляющей к наибольшему значению суммарного импульса анодного тока. Эти коэффициенты разложения импульса анодного тока были выведены в 30-е годы академиком А.И.Бергом. Коэффициент разложения для постоянной составляющей a0. Для первой и последующей гармоник a1, a2, a3, a4 и так далее. В сумме эти коэффициенты равны единице. Эти коэффициенты зависят от угла отсечки, и с его увеличением и повышением номера гармоники эти коэффициенты уменьшаются. В зависимости от угла отсечки, имеются максимумы для токов различных гармоник:
Приведем пример расчета величин токов гармоник для лампы ГУ-74Б, работающей в режиме АВ1. Исходные данные: угол отсечки q равен 120°, постоянная составляющая анодного тока при максимальной раскачке I0 = 0,5 A (то, что показывает амперметр включенный в анодную цепь усилителя мощности); a0 = 0,406; a1 = 0,536; a2 = 0,092; a3 = 0,046. Находим пиковую величину суммарного анодного тока, то есть ток анода в импульсе:
Iamax = Ia0/a0 = 0,5/0,406 = 1,23 А. Найдем величину тока первой гармоники усиливаемого (основного) сигнала:
Ia1 = Iamax - a1 = 1,23 · 0,536 = 0,66 A. После чего определим величину тока второй гармоники:
Ia2 = Iamax - a2 = 1,23 · 0,092 = 0,113 A. Затем третьей:
Ia3 = Iamax - a3 = 1,23 · 0,046 = 0,057 A.
Режим работы лампы определяется не только углом отсечки, но и степенью напряженности, которая характеризуется коэффициентом использования анодного напряжения x. Недонапряженный режим - режим с малыми токами сеток, в этом случае коэффициент использования анодного напряжения лежит в пределах 0,6...0,9. Перенапряженный - режим с большими токами сеток, коэффициент использования анодного напряжения здесь приближается к единице, и для линейного усиления сигналов не применяется. Остаточное напряжение на аноде в перенапряженном режиме сравнимо с положительным напряжением на сетках, поэтому происходит перераспределение токов. Ток анода значительно уменьшается, а токи сеток резко возрастают. У триодов - это ток управляющей сетки, у тетродов и пентодов - ток экранной сетки. Контроль токов сеток очень удобен для всех режимов работы усилителей мощности при настройки П-контура в резонанс. При резонансе токи сеток максимальны. Критический режим - граница между недонапряженным и перенапряженным режимами, типичные значения коэффициентов использования анодного напряжения приведены в табл 1. Степень напряженности режима можно регулировать, изменяя сопротивления анодной нагрузки, величину анодного напряжения, амплитуду возбуждения и напряжение смещения. У тетродов и пентодов можно еще изменять напряжение на экранной сетке. Настраивая контур в выходном каскаде (П-контур) мы изменяем сопротивление нагрузки, а значит и степень напряженности. Форма импульса анодного тока в зависимости от сопротивления нагрузки (Rн) в сравнении с оптимальным сопротивлением нагрузки (Ro) приведена на рис. 3.
Между КПД, мощностью рассеивания на аноде Ра и мощностью Pant, идущие в антенну существует зависимость:
Pant = Ра · h/(1 - h) где h - это КПД
Если мы увеличиваем смещение и амплитуду возбуждения, усилитель последовательно переходит в классы AB, B и C.
Величину электронного КПД усилителя мощности или просто КПД можно определить по формуле:
h = x · a1/2 · a0.
Из формулы следует, что коэффициент полезного действия зависит от формы импульса анодного тока, характеризуемого коэффициентами a1 и a0, которые, в свою очередь, зависят от угла отсечки анодного тока и от коэффициента использования анодного напряжения x.
Вышеизложенное поможет объяснить физические процессы протекающие в ламповом усилителе радиолюбителю преступающиму к постройке лампового усилителя.