книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

в области отрицательных напряжений на сетке, левее нулевой линии. Такие лампы называются л а м п а м и с « л е в ы м и» х а р а к т е р и с т и к а м и или просто «левыми» лампами. Они позволяют усиливать большие напряжения. Известно также, что положение сеточной характеристики лампы зависит от величины анодного напряжения (см. рис. 7): чем больше анодное напряже­ ние, тем левее проходит характеристика. Таким образом, поло­ жение рабочей точки на характеристике определяется двумя величинами: анодным напряжением U& и напряжением смеще­ ния Ео.

Рис. 56. Схемы с сопротивлением утечки сетки при вы­ соком сопротивлении источника усиливаемого напря­ жения.

чую точку не на середине участка ав, а ближе к нижнему изгибу характеристики. Делается это для того, чтобы уменьшить вели­ чину / а о, т. е. сократить расход энергии анодной батареи. Подача отрицательного напряжения смещения всегда уменьшает вели­ чину тока в анодной цепи, и это является второй целью примене­ ния смещения.

Уменьшение тока покоя / а 0 полезно не только потому, что при этом снижается расход тока от источника анодного напряже­ ния (это существенно только при питании анодов лампы от бата­ рей). Важно также и то, что при уменьшении тока покоя сни­ жаются разогрев анода лампы и падение напряжения (постоян­ ного) на сопротивлении анодной нагрузки. При этом предста­ вляется возможным з^менынить напряжение источника анодного напряжения.

Из изложенного выше следз^ет, что качество работы лампы целиком зависит от того, какие напряжения подаются на ее элек­ троды, или, как часто говорят, от режима работы лампы. Под ре­ жимом лампы понимаются именно величины напряжении, пода­ ваемых на электроды, и токов, протекающих в их цепях.

Прежде чем перейти к рассмотрению способов подачи отрица­ тельного напряжения смещения, следует вернуться к простейшей схеме усилительного каскада (рис. 56), чтобы более подробно выяснить вопрос о способе подачи усиливаемого переменного на­

91

Чаще всего напряжение смещения, получаемое за счет проте­ кания по специальному сопротивлению анодного тока лампы, подают автоматически. Фактически и в этом случае в качестве напряжения смещения используется часть напряжения анодной батареи, но дополнительной нагрузки анодная батарея не полу­ чает. Этот способ состоит в то.м, что между катодом и минусом анодной батареи включается сопротивление Як (рис. 58, б), назы­ ваемое катодным сопротивлением или сопротивлением автомати­ ческого смещения. Это сопротивление оказывается включенным одновременно и в анодную цепь лампы и в сеточную цепь лампы,

Рис. 57. Подача напряжения смещения при помощи батареи.

оно как бы связывает эти две цепи. Вследствие протекания но со­ противлению RK постоянной составляющей анодного тока / ао на этом сопротивлении будет происходить падение напряжения Е о, которое и будет смещающим напряжением, так как оно действует между катодом и соткой лампы, причем плюс включен на катод, а минус через источник переменного напряжения, или сопроти­ вление утечки подается на сетку лампы.

Конденсатор большой емкости Ск закорачивает RK для пере­ менной составляющей анодного тока. Сопротивление конденса­ тора переменной составляющей должно быть во много раз меньше Як- В этом случае используют специальные низковольтные элек­ тролитические конденсаторы большой емкости (в несколько десят­ ков микрофарад).

В случае отсутствия Ск или его недостаточной емкости в схеме будет наблюдаться явление так называемой отрицательной обрат­ ной связи. Оно выражается в том, что напряжение смещения яв­ ляется уже не постоянным, а пульсирующим, причем пульсации

93

напряжения смещения, попадая на сетку лампы, ослабляют уси­ ливаемое переменное напряжение. Вследствие этого коэффициент усиления каскада понижается. Отрицательная обратная связь часто намеренно вводится в схемы усилительных устройств для улучшения некоторых их качеств, но, вообще говоря, нежела­ тельна. Шунтирующий конденсатор Ск и имеет своей целью унич­ тожить обратную связь, получающуюся на сопротивлении RK, как говорят, «развязать» анодную и сеточную цепи лампы (для переменных составляющих).

Чтобы определить, какой величины сопротивления следует включить в катод лампы, и получить требуемое напряжение сме­ щения, нужно по динамической характеристике лампы найти

Рис. 58. Подача напряжения смещения от делителя (а) и автоматическое напряжение смещения (б).

величину тока покоя / ао и величину смещения Е о, которые соот­ ветствуют выбранной рабочей точке. Падение напряжения на катодном сопротивлении RK равно

Если же известен ток покоя / ао и напряжение смещения Е о, можно найти необходимую величину катодного сопротивления:

В этих формулах Ео всегда берется в вольтах, / ао в амперах, a RK в омах. Можно / ао выражать в миллиамперах (ма), тогда RR следует выражать в килоомах (ком).

Для примера определим величину катодного сопротивления и Ск в I каскаде усилителя электронного потенциометра. Этот кас­ кад работает чаще всего на одном из триодов двойного триода 6H9G.

Рабочей точке характеристики триода этого каскада соответ­ ствуют обычно следующие данные: ток покоя / а 0 — 0,12 ма и напряжение смещения Е о = 1 е.

94

Н а х о д и м н у ж н у ю в е л и ч и н у с о п р о т и в л е н и я

Конденсатор Ск, как указывалось, выбирают такой емкости, чтобы его сопротивление усиливаемому переменному току было значительно меньше сопротивления R K(в несколько десятков раз). В данном случае каскад усиливает переменное напряжение с ча­ стотой .50 гц. Для этой частоты сопротивление конденсаторов в соответствии с величиной их емкости будет иметь следующие величины: для емкости в 1 мкф — около 3200 ом, для 10 мкф — приблизительно 320 ом, для 100 мкф — 32 ом и т. д. Очевидно, что достаточно взять конденсатор Ск емкостью не менее 10 мкф, чтобы он надежно шунтировал сопротивление RK.

вляющей анодного тока будет всего 160—170 ом.

Величина автоматического напряжения смещения в отличие от напряжения смещения, подаваемого от специальной батареи, не остается постоянной при изменении режима лампы, так как с возрастанием постоянной составляющей анодного тока напряже­ ние смещения увеличивается и наоборот. Но это не всегда яв­ ляется недостатком. Например, если анодный ток лампы умень­ шился вследствие понижения напряжения анодной батареи, то происходящее при этом уменьшение величины автоматического напряжения смещения будет только полезно, так как в этом слу­ чае характеристика лампы сдвигается влево. Если же в этом слу­ чае напряжение смещения осталось неизменным, то могли бы наступить искажения, так как рабочий участок распространяется на нижний изгиб характеристики.

Иногда при использовании электронной лампы для усиления напряжения допускают наличие небольших сеточных токов, когда вследствие этого значительно упрощается схема, а на качестве работы существенно не отражается. Примером является подача напряжения смещения вследствие протекания сеточных токов. Эта подача часто применяется в электронных контрольно-измеритель­ ных приборах.

На рис. 56, б показана схема каскада для этого случая. Сетка лампы соединена с катодом высокоомным сопротивлением утечки сетки Rc. Никаких специальных мер для подачи напряжения сме­ щения не принято. На первый взгляд кажется, что разность потен­ циалов между сеткой и катодом равна нулю и рабочая точка в дан­ ном случае должна соответствовать нулевому сеточному потен­ циалу. Однако на сетке будет постоянный отрицательный потен­ циал. Это происходит потому, что сеточный ток имеется не только при положительных потенциалах на сетке, но он есть и при нуле­ вом потенциале и при небольших отрицательных потенциалах: сеточный ток возникает при отрицательном потенциале на сетке

95

порядка 0,5— 1 в. Электроны попадают на отрицательно заряжен­ ную сетку, так как при вылете из катода часть их имеет энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть отталкивающее действие сетки. Некоторые из таких электронов наталкиваются на витки сетки и остаются на ней. Стекая по сопротивлению R 0 на катод, попавшие на сетку электроны и будут создавать сеточный ток / 0, направление которого нужно считать во внешней цепи от ка­ тода к сетке, а внутри лампы — от сетки к катоду. Вследствие протекания сеточного тока по сопротивлению Rc на этом сопро­ тивлении будет происходить падение напряжения, причем на ниж­ нем конце сопротивления (подключенном к катоду) будет плюс, а на противоположном конце (подключенном к сетке) минус. Величина падения напряжения на R c будет зависеть от величины сеточного тока / с и величины сопротивления Rc, т. е. постоянное смещение на сетке в этом случае будет

Е0 — I CRC.

Напряжение смещения Е о может иметь заметную величину только в том случае, если сопротивление R0 имеет большое зна­ чение (не менее 0,5—1 мгом), так как величина сеточного тока / 0 невелика.

Ясно, что такой способ подачи отрицательного смещения мо­ жет быть применен только тогда, когда источник усиливаемого напряжения имеет очень большое сопротивление постоянному току. Этот способ часто применяется во II и III каскадах усили­ теля напряжения, когда в качестве источника усиливаемого на­ пряжения служит предыдущий каскад.

Ясно также, что при этом способе подачи смещения нельзя совершенно избавиться от сеточных токов и искажений, вносимых ими. Но вторая задача отрицательного смещения — уменьшить постоянную составляющую анодного тока (ток покоя) — выпол­ няется полностью.

Выше рассмотрено применение триода для усиления напря­ жения. В этом случае главное — отсутствие искажений формы усиливаемого сигнала. Поэтому используется лишь незначитель­ ная часть характеристики лампы, а именно та часть прямолиней­ ного участка, которая находится в области отрицательных напря­ жений на сетке. Мощность, отдаваемая лампой в этом случае, который называется усилением класса Ai, очень незначительна, к. п. д. не превышает 40—45%.

Когда электронную лампу используют как усилитель мощ­ ности (например, в выходных каскадах усилителей) серьезное значение имеют величина отдаваемой мощности и к. п. д. кас­ када, который зависит от используемой части характеристики лампы и от величины тока покоя. В усилителях мощности элек­ тронные лампы обычно работают в режимах, отличающихся от режимов, применяемых в усилителях напряжения.

Режимы работы электронных ламп в качестве усилителей мощности и генераторов делятся на классы: А, В, АВ и С.

96

Класс А (рис. 59, а). Рабочий участок характеристики имеет прямолинейную форму. Различают режимы Ai и А 2. В первом случае (Ai) рабочий участок целиком лежит в области отрица­ тельных сеточных потенциалов, во втором (Аг) он заходит в об­ ласть положительных потенциалов на сетке (работа с токами сетки). Однако в большинстве случаев применяют режим класса Ai, который обычно называют режимом класса А.

Преимуществом режима класса А является минимальное иска­ жение, недостатком — использование небольшой части харак­ теристики лампы н наличие значительного тока покоя, вследствие чего и при отсутствии сигнала расходуется мощпость анодного источника, которая выделяется в виде тепла на аноде лампы. Режим класса А применяется во всех усилителях напряжения и маломощных выходных каскадах.

Рис. 59. Различные классы режимов усиления.

а — режим класса А; б — решим класса В; в — режим класса С.

Режим класса В (рис. 59, б) характерен тем, что рабочая точка выбирается в начале характеристики лампы и ток покоя равен нулю. Разумеется, что этот режим может быть использован в двух­ тактных схемах, когда один полупериод усиливаемого напряже­ ния усиливается одной лампой, а второй полупериод другой. В двухтактной схеме искажения, вносимые каждой из двух ламп, компенсируются, вследствие чего выходной сигнал имеет допу­ стимую величину искажений, хотя они и превосходят те, которые возникают в режиме А.

Режим класса В может осуществляться без токов сетки (Вi) и с токами сетки (В2 ). Однако практически применяют исключи­ тельно режим класса В2. Этот режим и подразумевается, когда говорят о режиме В.

Каскад, работающий в режиме класса В, отдает значительную мощность и к. и. д. его значительно выше, чем при работе по режиму класса А, так как ток покоя равен нулю.

Режим класса А В представляет собой режим, средний между режимами А и В. Применяются режимы Ai?i (без токов сетки) и

наиболее экономичный, но нз-за очень сильных искажений в уси­ лителях низкой частоты обычно не применяется.

При рассмотрении работы усилительного каскада на электрон­ ной лампе во всех случаях предполагалось, что усиливаемое на­ пряжение, подаваемое па сетку лампы, является переменным. Это предположение делалось для упрощения. Усиление будет и в том случае, если к сетке лампы подвести постоянное напряже­ ние, величина которого с течением времени медленно и незако­ номерно (не периодически) изменяется.

Подводимое для усиления медленно изменяющееся напряже­ ние будет складываться с напряжением постоянного смещения, вследствие чего потенциал сетки будет также изменяться, вызы­ вая изменение анодного тока лампы. На сопротивлении нагрузки i?a падение напряжения будет изменяться так же, как изменяется подводимое к сетке усиливаемое напряжение, которое может изменять знак, причем иногда даже с некоторой закономерностью, периодичностью. Но все эти изменения происходят не в течение малых долей секунды, как при переменном токе, а в течение дли­ тельного времени, которое измеряется целыми секундами, мину­ тами и даже часами.

Усиление постоянных напряжений или токов значительно отличается от усиления переменных напряжений и токов. Это объясняется главным образом тем, что переменные напряжения легко проходят через емкости, а медленно изменяющееся напря­ жение, так же как и строго постоянное, через емкость пройти не может. Это вызывает большие трудности при разделении усилен­ ного полезного сигнала, выделенного на сопротивлении анодной нагрузки, и напряжения, обусловленного протеканием тока покоя по этому сопротивлению. Особенно большие трудности возникают при необходимости применения нескольких каскадов усиления (см. § 3).

Способность электронной лампы усиливать подводимые к ее сеточной цепи напряжения позволяет использовать лампу для возбуждения или, как говорят, генерирования переменных на­ пряжений. Электронная лампа и электронный усилитель самовозбуяадаются, т. е. генерируют колебания, когда между анодной и сеточной цепями лампы имеется связь, благодаря которой уси­ ленное лампой переменное напряжение из анодной цепи опять попадает в сеточную с такой фазой, что увеличивает амплитуду переменного напряжения на сетке.

Явление самовозбуждения используется в различных элек­ тронных генераторах, в которых связь между анодной и сеточной цепями осуществляется при помощи специальных катушек (индук­ тивная связь), конденсаторов (емкостпая связь) или активных сопротивлений (гальваническая связь).

Связь между анодной и сеточной цепями лампы возникает и самопроизвольно благодаря наличию емкости между электродами лампы п монтажными проводами. Если эта связь окажется поло­ жительной н достаточной величины, то каскад самовозбудится и

98

начнет генерировать колебания. Генерация в усилительном кас­ каде — явление совершенно недопустимое, так как это приводит к искажению усиливаемых сигналов.

Возникновению генерации в отдельном усилительном каскаде воспрепятствовать нетрудно. Сложнее это сделать в многокаскад­ ных усилителях, так как даже незначительная связь между после­ дующими каскадами и первым может привести к самовозбуждению вследствие большого коэффициента усиления усилителя. Источ­ ником связи между каскадами в усилителе, кроме упомянутых выше, являются источники питания, общие для всех каскадов. Для предотвращения генерации в многокаскадных усилителях рационально размещают детали и монтажные провода, устраняют связи между каскадами через источники питания посредством включения специальных «развязывающих» фильтров.

§ 3. Многокаскадные электронные усилители

Как правило, электронные усилители имеют не один каскад усиления, а несколько. I каскад усиления в этом случае работает на II каскад, поэтому усиленное напряжение, выделяемое на со­ противлении анодной нагрузки I каскада, должно быть передано на сетку лампы II каскада..

В случае усиления переменного напряжения для передачи усиленного напряжения с анода первой лампы на сетку второй

Рис. 60. Двухкаскадный усилитель на сопроти­ влениях с емкостной связью.

лампы чаще всего применяется схема с емкостной связью, пока­ занная на рис. 60.

Такая схема применима для усиления переменных напряже­ ний различных частот от самых высоких до очень низких, изме­ ряемых несколькими периодами в секунду. Кроме того, эта схема может быть применена для усиления импульсов, т. е. бросков, рез­ ких изменений напряжения. Например, на нефтезаводах при­ меняется электронный pH-метр, в котором электронный усили­ тель усиливает импульсы напряжения, следующие равномерно один за другим с интервалом приблизительно 3,5 сек.

Разделительный, или переходной, конденсатор Ср предна­ значен для того, чтобы анодное напряжение лампы Лi не попало на сетку лампы Лч, которая, имея высокий положительный потен­ циал на сетке, работать, разумеется, не может.

Назначение сопротивления ЛС2 ясно из предыдущего — это сопротивление утечки сетки II каскада. Оно здесь необходимо, так как источником усиливаемого переменного напряжения для II каскада является I каскад, соединенный со II каскадом через конденсатор Ср, разрывающий цепь постоянного тока.

Переменное напряжение, усиленное I каскадом, выделяется на сопротивлении анодной нагрузки I каскада R a. С этого сопроти­ вления переменное напряжение подается на сетку — катод лампы II каскада Лч, причем потенциал с нижнего конца /?а подается на

питания Еа и конденсатор автоматического напряжения смещения II каскада СК2. При необходимости подключается усилитель III каскада ко II каскаду так же, как II к I и т. д. Число каска­ дов в усилителе напряжения может быть большим, но практи­ чески редко делают больше 2 —3 каскадов, так как в этом обычно не возникает надобности и, кроме того, при очень большом уси­ лении на одной частоте возникает самовозбуждение, которое трудно преодолеть.

Большими преимуществами описанной связи между каскадами являются возможность питания анодных цепей всех ламп усили­ теля от одного источника и отсутствие влияния на величину и форму усиливаемого переменного напряжения медленных изме­ нений питающих лампу напряжений (анодного напряжения и напряжений накала и смещения). Эти медленно изменяющиеся напряжения не могут пройти через разделительные конденса­ торы, а потому усиливаться не будут; они лишь незначительно сместят на характеристике рабочую точку каждой лампы. Так как эта точка остается на прямолинейном участке характеристики, то форма усиливаемого напряжения не будет искажаться, а коэф­ фициент усиления усилителя изменится очень мало.

Коэффициент усиления всего усилителя к зависит от коэф­ фициентов усиления отдельных каскадов и равен произведению этих коэффициентов, т. е.

к — кгк2кз . . .

Например, трехкаскаднын усилитель на лампах 6Н9С, приме­ няемый в некоторых контрольно-измерительных приборах нефте­ заводов, имеет обычно коэффициент усиления I каскада ki = 45,

IIкаскада кч = 45 и III каскада кз = 25.

Общий коэффициент усиления такого усилителя будет равен

к = 4 5 x 4 5 x 2 5 ^ 5 0 000.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что коэффи­ циент усиления III каскада меньше, чем у двух первых. Причиной

100