В предыдущей статье "Электронные лампы, §3. Триод - вечная классика" мы познакомились с тем, как триод работает. И сегодня нам знания из этой статьи понадобятся. Но сегодня мы будем рассматривать, как работают схемы использующие триод как активный элемент.
Сегодня не будет физики, будет только электроника. Причем изложение будет довольно упрощенным. Но даже не смотря на это статья получилась очень большой. Так что наберитесь терпения...
Режим работы триода
В предыдущей статья мы рассматривали характеристики триода при постоянном анодном напряжении. Однако, в реальных схемах, триод чаще всего используется в режиме усиления, когда в его анодной цепи включено сопротивление нагрузки
Такое включение триода очень сильно влияет на его работу. В предыдущей статье я приводил анодно-сеточные характеристики лампы 6Н1П без анодного сопротивления, и с анодным сопротивлением. Та иллюстрация наглядно показывала, как анодное сопротивление влияет на характеристические кривые.
Почему так происходит? Дело в том, что нагрузка в цепи анода (будем считать ее чисто активной, пока) приводит к тому, что анодное напряжение будет меняться при изменении анодного тока, которое вызвано изменением сеточного напряжения. Я показал это на иллюстрации выше.
Увеличение сеточного напряжения приводит к росту тока анода, что увеличивает падение напряжения на сопротивлении нагрузки. А это вызывает снижение анодного напряжения. То есть, сеточное напряжение и анодное напряжение изменяются в противофазе.
Но снижение анодного напряжения приводит и к снижению тока анода. Вспомните анодные характеристики. Поэтому изменение сеточного напряжения частично компенсируется изменением анодного напряжения.
Однако, действие сетки сильнее действия анода. Вспомните проницаемость D и коэффициент усиления μ, о которых шла речь в предыдущей статье (я предупреждал, что она нам сегодня понадобится). Поэтому анодный ток (не напряжение!) все таки изменяется синфазно и с изменением сеточного напряжения.
Триод и полевой транзистор
В статье "Электронная лампа и полевой транзистор. Различие и общность." я уже проводил аналогию между полевыми транзисторами и электронными лампами.
Когда то работу полевых транзисторов (еще с p-n переходом) объясняли на ламповой аналогии, при обучении студентов. Сегодня ситуация изменилась, и уже работу лампы приходится объяснять на транзисторной аналогии.
Ламповый триод больше всего похож на полевой транзистор с p-n переходом и каналом n типа. Разумеется, не по принципу работы, а по схожести работы схем с триодом и транзистором.
Усилительный каскад на триоде
На приведенной в начале статьи иллюстрации показано включение триода с общим катодом. Как и схемы с общим истоком или эмиттером, для транзисторов, такое включение является наиболее часто используемым. Давайте немного дополним эту схему и рассмотрим ее работу подробнее.
Это та же самая схема, которая была в начале статьи, но добавлен источник входного сигнала (синусоидального), источник сеточного смещения, входное сопротивление следующего каскада (если он есть), которое по переменному току подключено параллельно нагрузочному сопротивлению в цепи анода.
При этом я не стал показывать конденсаторы шунтирующие источники анодного напряжения и сеточного смещения, которые иногда размещают на подобных схемах. Просто будем считать, что эти источники имеют нулевое сопротивление постоянному и переменному току. То есть, являются идеальными источниками напряжения.
Давайте посмотрим на сигналы (токи и напряжения) в этой схеме
В целом, здесь все достаточно очевидно и похоже на каскады на транзисторах. Но некоторые пояснения сделать все таки нужно.
Во первых, как я уже не раз говорил, в усилительных каскадах лампы в подавляющем большинстве случаев работают при отрицательном потенциале сетки. Это только устраняет (практически устраняет) возникновение и влияния тока сетки, но гарантирует, что лампа работает в режиме объемного заряда. По этой же причине лампа не оказывается в режиме насыщения, когда достигнут предел эмиссионной способности катода.
Для обеспечения отрицательно потенциала сетки и отсутствия тока сетки необходимо, что бы
Umc = Ec + Um < 0
Или, другими словами, что бы модуль напряжения источника сеточного смещения был больше амплитуды входного напряжения.
Во вторых, минимальное напряжение на аноде должно быть больше нуля. Это совершенно очевидное условие, так как иначе отрицательная полуволна выходного напряжения окажется искаженной.
В третьих, тоже совершенно очевидно, что максимальное напряжение на аноде должно быть меньше напряжения источника анодного питания. Иначе положительная полуволна выходного напряжения окажется искаженной.
Выходным напряжением усилительного каскада является напряжение между анодом и катодом. Причем амплитуда этого напряжения будет равна амплитуде напряжения на сопротивлении нагрузки в цепи анода. Если в выходном напряжении не должно быть постоянной составляющей, то используется разделительный конденсатор Ср.
Как и всегда, емкость разделительного конденсатора выбирают такой, что бы его реактивное сопротивление на минимальной рабочей частоте было много меньше сопротивления нагрузки R'н.
Автоматическое смещение потенциала сетки
Использовать отдельный источник сеточного смещения не удобно. Кроме того, таких источников может потребоваться несколько, так как для разных каскадов напряжение смещения может отличаться.
Поэтому чаще всего смещение потенциала сетки относительно катода задают резистором, который устанавливается в цепи катода. При это сетка по постоянному току подключается к земле и изолируется по постоянному току от источника сигнала конденсатором. А катодный резистор шунтируется конденсатором, что бы исключить влияние на усиление сигнала.
На резисторе Rк ток катода лампы создает падение напряжения равное произведению тока покоя катода на сопротивление резистора.Это напряжение и является напряжением смещения сетки.
Поскольку сетка по постоянному току соединена с землей через резистор Rc, то потенциал катода оказывается выше потенциала сетки на величину падения напряжения на Rк. То есть, потенциал сетки оказывается ниже потенциала катода.
Емкость конденсатора Ск, как всегда в таких случаях, выбирается исходя из того, что реактивное сопротивление конденсатора на минимальной частоте должно быть много меньше сопротивления Rк.
Так как напряжение на сетке, относительно катода, отрицательное, то можно считать ток сетки практически равным нулю. А значит, ток покоя катода можно считать равным току покоя анода.
Резистор Rс обеспечивает путь для тока сетки (я говорил, что такой путь надо всегда предусматривать) и привязывает потенциал сетки к потенциалу земли (по постоянному току). Сопротивление этого резистора должно удовлетворять двум условиям. Во первых, оно не должно быть слишком малым, так это будет нагружать источник сигнала. С достаточной точностью, на не слишком высоких частотах, можно считать входное сопротивление каскада равным сопротивлению Rc. На высоких частотах начинают вносить свой вклад емкости триода.
Во вторых, поскольку ток сетки даже при отрицательном смещении все таки не равен нулю, сопротивление резистора не должно быть слишком большим, что бы ток сетки не создавал на нем заметного падения напряжения.
На практике, в большинстве случаев, сопротивление резистора лежит в пределах сотен кОм - единиц МОм.
Разделительный конденсатор может быть и выходным разделительным конденсатором предыдущего каскада, и отдельным конденсатором, если входной сигнал поступает извне устройства. При этом емкость конденсатора должна быть такой, что его реактивное на минимальной частоте много меньше сопротивления источника сигнала.
Расчет усилительного каскада с общим катодом на триоде
Усилительный каскад характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, коэффициентом усиления по току, коэффициентом усиления по мощности, входным сопротивлением, выходным сопротивлением, частотными параметрами.
Частотных параметров я не буду касаться, а вот об остальных параметрах поговорим. Кроме того, необходимо рассчитать и режим работы триода по постоянному току.
Про входное сопротивление мы уже говорили, для низких частот можно считать, что оно равно Rc.
Коэффициент усиления по току каскада с общим катодом довольно большой, так как входное сопротивление велико. Усиление по току можно рассчитать после расчета каскада, но обычно оно превышает десятки тысяч.
Коэффициент усиления по мощности тоже довольно высок, так как входной ток мал из-за высокого входного сопротивления. Его тоже можно рассчитать после расчета каскада, но обычно он превышает десятки тысяч для каскадов работающих без сеточного тока.
Коэффициент полезного действия у каскадов с резистивной нагрузкой, которые мы рассматривали, не велик. Так как неизбежны потери из-за тока покоя (потери на сопротивлении анодного резистора) и выделяющейся на аноде мощности. Но тут нет ничего удивительного, КПД каскада класса А на транзисторах тоже не высок.
Пора переходить к рассмотрению способов расчета каскада с общим катодом на триоде. Таких способов два. Первых это классический графический (графо-аналитический). Второй аналитический.
Графо-аналитический расчет каскада с ОК на триоде
Это классический способ, которому активно обучали студентов и которым пользовались любители. Из его преимуществ можно назвать простоту и наглядность. А так же то, что основывался на рабочих (но типовых!) характеристиках ламп, а не теоретических. Из недостатков можно назвать необходимость наличия этих самых характеристик в справочнике. А вот с этим бывало возникали проблемы. И не слишком высокую точность, что не столь критично, так как сами характеристики были типовыми и не самыми точными.
Давайте посмотрим, как провести расчет каскада на лампе 6Н1П, которую я уже использовал в предыдущей статье. Обычно, для расчета каскада задавалось напряжение источника анодного питания и сопротивление резистора в цепи анода. Поэтому примем, что напряжение анодного источника равно 300 В, а в цепи анода установлен резистор сопротивлением 10 кОм.
Я воспользуюсь анодными характеристиками 6Н1П из справочника
Здесь нет абсолютно никаких хитростей, все точно так же, как и для каскадов на транзисторах.
Теперь нам надо выбрать напряжение смещения сетки и ток покоя анода. Для этого нам понадобится знать амплитуду входного напряжения, которая обычно считается заданной. Пусть у нас задана амплитуда входного напряжения 2 В. И добавим сюда условие малых искажений усиленного сигнала.
Вот это последнее условие определяет, что лампа должна работать на линейных участках характеристик. Кроме того, вспомним, что напряжение на сетке должно быть отрицательным.
Таким образом, рабочая точка триода должна находиться на нагрузочной линии ниже и правее точки ее пересечения с линией анодной характеристики при сеточном напряжении равном 0. А с учетом амплитуды входного напряжения, напряжение смещения на сетке должно быть менее минус 1 В.
Но насколько менее? Чем меньше ток покоя анода, тем меньше потери и выше КПД. Но при малых токах анода больше нелинейность характеристик. В целом, выбор тока покоя может быть достаточно свободным. Мне нравится нравится ток покоя примерно 10 мА. Характеристики при таком токе довольно линейные.
Но нам не повезло через точку (10 мА, 200 В) не проходит ни одна кривая. Ближайшая кривая Uc=-4В дает анодный ток примерно 9 мА. У нас есть два пути. Первый, построить приблизительную кривую анодной характеристики, которая будет проходить через нашу точку. Второй, выбрать ближайшую подходящую точку, для которой кривая уже присутствует в справочных данных.
Поскольку и сами характеристики типовые усредненные, и метод не очень точный, разумно выбрать второй путь. Итак выбираем сеточное напряжение покоя равным -4 В. Этому напряжению соответствует тока анода примерно 9 мА.
Давайте оценим выделяемую от тока покоя на анодном резисторе мощность. Для 10 кОм выделяемая мощность составит примерно 0.8 Вт. Не мало, но вполне ожидаемо. Напряжение на аноде при этом будет примерно 210 В. Почему примерно? Потому что кривые являются лишь типовыми, а разброс параметров может быть довольно большим.
Теперь на этой кривой нам надо построить график входного напряжения. И опять та же проблема, а нас амплитуда входного напряжения 1 В, а шаг сеточного напряжения кривых анодных характеристик 2 В. Так что дополнительные кривые все таки придется рисовать.
Дорисованные нами кривые еще менее точные, чем типовые из справочника. Естественно, точности расчету это не добавляет. Но это не очень критично, так как разброс параметров реальных ламп гораздо больше.
Собственно говоря, график входного напряжения на анодной кривой строить излишне, так как мы уже нарисовали кривые соответствующие двойной амплитуде входного сигнала. Но для наглядности я все таки его нарисую
Выглядит немного кошмарно, но а самом деле тут все просто.
Пересечение нашей нагрузочной линии с анодной кривой соответствующей выбранному сеточному напряжению дает нам точку Т, которая соответствует состоянию покоя нашего усилительного каскада.
Две дополнительные точки А и Б дают пересечения анодных кривых соответствующих максимальному и минимальному сеточному напряжению с учетом амплитуды входного сигнала и нагрузочной линии. Эти два точки определяют конечные точки рабочего участка.
Анодные напряжения соответствующие точкам А и Б дают нам удвоенную амплитуду анодного напряжения. На нашей иллюстрации точке А соответствует примерно 190 В на аноде, а точке Б примерно 230 В. Таким образом, амплитуда выходного напряжения будет равна 20 В.
Значения анодного тока соответствующие точкам А и Б дают нам удвоенную амплитуду тока анода. Для нашей иллюстрации амплитуда тока анода равна примерно 2 мА. Что соответствует амплитуде напряжения на анодном резисторе (и выходному напряжению) 20 В.
Коэффициент усиления по напряжению нашего каскада получился равным примерно 20.
Остается рассчитать сопротивление катодного резистора для требуемого сеточного напряжения. Для этого достаточно разделить сеточное напряжение на ток покоя анода (сеточный ток считаем отсутствующим). Таким образом получает Rк=444 Ом. Выбираем ближайшее значение из стандартного ряда 430 Ом.
Теперь определим рассеиваемую на аноде мощность. Так анода у нас равен 9 мА, при этом напряжение на аноде равно 210 В. И на аноде рассеивается примерно 1.9 Вт. Для 6Н1П максимальная рассеиваемая на аноде мощность может достигать 2.2 Вт. Так что наш каскад в допустимые границы укладывается.
Полезная выходная мощность
Рвых = 0,5 * Ima * Uma = 0.02 Вт
Мощность потребляемая от источника анодного напряжения
P = Ia * Ea = 2.7 Вт
Отсюда КПД каскада
η = Pвых / P = 0.7 %
Это очень низкий КПД. И причинной такого провала стал слишком большой ток покоя. Выбрать меньший ток можно, но провести графо-аналитический расчет по приведенным в справочнике кривым сложно. Так как масштаб графиков анодных характеристик недостаточный и все будет просто сливаться.
Как вариант, можно поискать более подробные графики. Или снять их самостоятельно.
Таким образом мы логично приходим к аналитическому методу расчета.
Аналитический метод расчета каскада с ОК на триоде
Аналитический метод расчета использует параметры лампы, а не графики характеристик. Если вспомнить приведенные в предыдущей статье формулы для крутизны и внутреннего сопротивления, то станет видно, что мы можем из них выразить приращение анодного тока через приращение напряжения на сетке и напряжения на аноде. Если еще учесть, что полное приращение анодного тока равно сумме приращений тока от изменения напряжений сетки и анода, то мы получим основное уравнение лампы. Я опущу промежуточные вычисления
Формула для закона Ома для переменного анодного тока получена из основного уравнения лампы учетом влияния сопротивления анодной нагрузки.
Числитель в формуле закона Ома для переменного анодного тока является переменной ЭДС, действующей в анодной цепи. Представление о лампе как генераторе переменной ЭДС ввели Бонч-Бруевич и Баркгаузен. Это представление стало классическим.
При этом формула закона Ома для переменного анодного напряжения верна только для линейных участков характеристик, где коэффициент усиления лампы и внутреннее сопротивление можно условно считать постоянными.
По сути, эта формула является линейной аппроксимацией нелинейной зависимости между изменениями анодного тока и напряжения на сетке. Можно представить лампу не как источник переменной ЭДС, а как источник переменного тока. При этом внутреннее сопротивление лампы будет включено параллельно источнику тока, и параллельно сопротивлению нагрузки.
Обратите внимание, что обе приведенные выше формулы описывают приращение анодного тока, а не анодный ток. Другими словами, они не подходят для расчета рабочей точки каскада по постоянному току. Так что выбор сеточного напряжения по прежнему надо осуществлять через анодные характеристики. А вот расчет коэффициента усиления уже может быть выполнен по формулам, а не графикам.
Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК может быть определен по формуле
K = μ * Rн / ( Ri+ Rн)
Эта формула позволяет и определить сопротивление анодной нагрузки для получения требуемого усиления. Кроме того, видно, что коэффициент усиления каскада по напряжению не может быть больше коэффициента усиления лампы.
Давайте подсчитаем коэффициент усиления нашего каскада аналитическим методом. Коэффициент усиления 6Н1П я приводил в предыдущей статье - 35. Внутреннее сопротивления в справочнике не указано, но мы его вычисляли, получилось 7.8 кОм. Безусловно, и крутизна, и внутреннее сопротивление верны лишь для определенных условий. Но мы не будем обращать внимание на этот источник погрешности.
Вычисленный коэффициент усиления получается равным 19.66. Это очень близко с результатом полученным графическим методом.
На практике, сопротивление анодной нагрузки выбирают в пределах 1∻4 Ri. И наш выбор как раз попал в этот диапазон. Но вот ток анода мы выбрали слишком большим.
Каскады с общей сеткой и общим анодом
Триоды можно включать по схеме с общей сеткой, что аналогично схеме с общей базой или общим затвором.
В схеме с общей сеткой катод является входным электродом. Поскольку ток анода и ток катода равны (при отсутствии тока сетки), коэффициент усиления по току равен 1. Следовательно, коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по напряжению.
Входное сопротивление такого каскада мало. Но поскольку сетка оказывает на действие анода экранирующий эффект, емкость анод-катод получается малой. А это заметно повышает высокочастотные свойства схемы.
Включение триода по схеме с общим анодом аналогично схеме с общим коллектором или стоком
В данной схеме, которая называется катодным повторителем, катод является выходным электродом. Поскольку по переменному току напряжение на катоде повторяет напряжение на сетке, коэффициент усиления каскада по напряжению равен 1. А коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по току.
Обратите внимание, что в показанных схемах сопротивление источника согнала постоянному току является составной частью схемы. Если это недопустимо, нужно устанавливать развязывающие конденсаторы. В схеме с общей сеткой нужно будет предусмотреть резисторы для протекания тока катода. В схеме с общим катодом резистор будет задавать необходимый потенциал на катоде в состоянии покоя. Поэтому его нельзя подключать к земле, как в схеме с общим катодом.
Заключение
На этом мы заканчиваем знакомство с триодом. Оно было, хоть и объемным, но упрощенным. Многие вопросы я лишь упоминал. Некоторые вопросы просто оставил за рамками статей. Так как статьи рассчитаны на новичков и любителей, которые хотят хотя бы немного познакомиться с ламповыми схемами.
Из всего сказанного про триоды становится понятно, что высочайшая линейность каскадов на триодах, по большому счету миф. Нелинейностей и сложностей тут хватает. При малых приращениях сеточного напряжения еще можно говорить о линейности. В общем же случае, нет.
И точно так же, как и в транзисторных схемах, какие то вопросы помогает решить обратная связь. Хоть это и не является темой статей.
При этом у триодов есть и "врожденные" недостатки. Например, коэффициент усиления не может быть большим. Так как большой коэффициент усиления μ неизбежно приводит к малому запирающему напряжению. Как следствие, рабочая область оказывается в области положительных сеточных напряжений, что не позволяет избежать сеточного тока.
Недостатком триодов является и довольно низкое внутреннее сопротивление. Это оказывает шунтирующее действие в высокочастотных каскадах с резонансными контурами.
Ну и довольно большая проходная емкость, хоть я и не поднимал этот вопрос в статьях.
Все эти недостатки и привели к дальнейшему поиску путей совершенствования ламп. Такой усовершенствованной лампой стал тетрод.
Именно о тетродах мы и будем говорить в следующей статье.
