Основными энергетическими показателями, характеризующими усилители мощности высокой частоты, являются колебательная мощность, отдаваемая нагрузке, и коэффициент полезного действия.
Сопротивлением нагрузки генератора является настроенный колебательный контур. Если он настроен на частоту входного сигнала, то колебательная мощность, отдаваемая лампой нагрузке, определяется по формуле
(284)
где Ia1 — амплитуда первой гармоники анодного тока; Rэ — сопротивление анодного контура, настроенного на частоту входного сигнала; Uma — амплитуда колебательного напряжения на аноде (на контуре); α1 — коэффициент разложения анодного тока; ia.макс — максимальное (пиковое) значение анодного тока.
Мощностями, выделяемыми высшими гармониками, можно пренебречь, так как нагрузочный контур для них представляет малое сопротивление. Если его настроить на удвоенную частоту входного сигнала, то генератор будет работать в режиме удвоения (умножения) частоты.
Колебательная мощность, отдаваемая нагрузке, в этом случае будет равна
(285)
где Ia2 — амплитуда второй гармоники анодного тока; R'2 — сопротивление анодного контура, настроенного на удвоенную частоту входного сигнала; Uma2 — амплитуда колебательного напряжения второй гармоники на аноде (на контуре); α2 — коэффициент разложения анодного тока.
Рассуждая аналогичным образом, можно написать формулу колебательной мощности для случая работы усилителя мощности высокой частоты в режиме утроения частоты:
(286)
Электрический коэффициент полезного действия генератора определяется отношением колебательной мощности Р к мощности P0, потребляемой анодной цепью от источника анодного питания и равной Ia0Еa:
(287)
где ζ — коэффициент использования анодного напряжения.
Разность между мощностями Р0 и Р определяет мощность Рa, рассеиваемую на аноде генераторной лампы. Она должна быть меньше мощности Рa.доп приводимой в справочниках для каждого типа лампы.
В отличие от электрического к. п. д. общий, или промышленный, к. п. д. учитывает мощность, потребляемую не только анодной цепью генераторной лампы, но и цепями сеток и цепью накала. Промышленный к. п. д. ηпр определяется отношением колебательной мощности к мощности потерь Рп. Мощность потерь равна
Рп = Р0+Рн + Рс1 + Рс2 + Рс3
где Р0 — мощность, потребляемая от источника анодной цепью лампы; Рн — мощность, потребляемая от источника цепью накала; Pс1, Pс2, Pс3 — мощности, потребляемые в цепях управляющей, экранной и защитной сеток генераторной лампы.
Из полученных формул следует, что колебательная мощность, отдаваемая лампой, зависит от сопротивления нагрузки Rэ и от амплитуды соответствующей гармоники анодного тока, которая является функцией угла отсечки и максимального значения анодного тока. При неизменных значениях Rэ и iа.макс лампа отдает максимальную колебательную мощность в режиме усиления при угле отсечки θ = 120°, в режиме удвоения частоты — при θ = 60°, в режиме утроения частоты — при θ = 40° (см. график коэффициентов разложения анодного тока, рис. 149).
Коэффициент полезного действия пропорционален коэффициенту использования анодного напряжения и отношению α1/α0. Величина ζ определяется сопротивлением нагрузки, а отношение увеличивается с уменьшением угла отсечки, что, к сожалению, сопровождается уменьшением колебательной мощности. Поэтому приходится угол нижней отсечки выбирать в пределах от 70 до 90°. Это обеспечивает получение на выходе достаточно большой колебательной мощности и сравнительно высокого к. п. д.
Усилители мощности высокой частоты с посторонним возбуждением работают в режиме колебаний второго рода, так как режим колебаний первого рода (θ = 180°) из-за низкого к. п. д. не имеет практического применения. Действительно,
При θ = 180°, α1 = α0, но ζ < 1 и поэтому η≤ 50%.
При неизменных напряжениях источников питания и постоянной амплитуде напряжения возбуждения лампа отдает максимальную колебательную мощность при вполне определенной величине сопротивления нагрузки. Это сопротивление нагрузки называют оптимальным и обозначают Rэ.опт.
Каждому сопротивлению нагрузки соответствует вполне определенное значение коэффициента использования анодного напряжения, поэтому максимальная колебательная мощность выделяется также при ζ = ζопт.
Режим генератора, имеющий место при оптимальном сопротивлении нагрузки, называют оптимальным или критическим.
При сопротивлении нагрузки, меньшем оптимальной, генератор работает в недонапряженном режиме, а при сопротивлении нагрузки, большем оптимальной, — в перенапряженном режиме.
Анализ работы усилителя мощности высокой частоты в различных режимах удобно провести при помощи нагрузочных характеристик, представляющих зависимость токов (Iа0, Iа1, Iк), мощностей (Р, Р0, Ра), к. п. д. (η) и амплитуды переменного напряжения на контуре (Iк) в функции величины сопротивления анодной нагрузки Rэ, при постоянных напряжениях источника анодного питания Еа и амплитуде напряжения возбуждения Umc.
 |
На рис. 164 приведены типовые нагрузочные характеристики, пунктиром показан также график зависимости Iс0; Iс2 и ζ от Rэ. Оптимальному (критическому) режиму соответствует слегка притуплённый импульс анодного тока, который можно считать еще косинусоидальным. Это — пограничный режим между недонапряженным и перенапряженным режимами. При этом максимальный импульс анодного тока, определяемый остаточным напряжением на аноде, лежит на линии оптимального режима. В нагрузке выделяется наибольшая колебательная мощность, этому же режиму соответствует максимум контурного тока Iк. Рис. 164. Типовые нагрузочные характеристики усилителя. |
С уменьшением сопротивления нагрузки Rэ генератор переходит внедонапряженный режим. При этом увеличивается максимальное значение импульса анодного тока, что вызывает некоторое увеличение постоянной составляющей Iа0 и первой гармоники анодного тока Iа1, напряжение на контуре Umк, контурный ток Iк и коэффициент использования анодного напряжения ζ падают, так как сопротивление Rэ уменьшается быстрее, чем возрастает ток Iа1. Колебательная мощность Р падает, мощность, потребляемая от источника питания Р0, возрастает, а мощность Ра1, рассеиваемая на аноде генераторной лампы, резко повышается. При некотором минимальном значении сопротивления нагрузки Rэ.мин мощность Ра становится равной мощности Ра.доп и дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки уже невозможно, так как приведет к нарушению режима. Ток управляющей сетки настолько мал, что не влияет на форму анодного тока — она остается остроконечной, косинусоидальной.
В противоположном случае, при увеличении сопротивления нагрузки свыше оптимального значения, режим генератора становится перенапряженным. В импульсе анодного тока появляется провал, так как остаточное напряжение на аноде падает, а ток управляющей сетки при этом возрастает. По мере дальнейшего увеличения сопротивления Rэ импульс анодного тока даже раздваивается вследствие резкого увеличения тока управляющей сетки. Амплитуда колебательного напряжения на нагрузке, а следовательно, и коэффициент использования анодного напряжения с ростом Rэ увеличиваются незначительно (Rэ возрастает быстрее, чем уменьшается Iа1). Контурный ток уменьшается, но не так резко, как это имело место в недонапряжеином режиме.
По мере перехода в перенапряженный режим наблюдается спад как колебательной, так и подводимой мощностей. Сначала снижение колебательной мощности происходит более медленно, чем подводимой вследствие некоторого увеличения напряжения на контуре. Поэтому мощность рассеивания на аноде при увеличении Rэ уменьшается. Лампа работает в легком тепловом режиме (по сравнению с критическим и недонапряженным режимом). К. п. д. сначала несколько возрастает из-за повышения ζ, однако с возрастанием Rэ уменьшение токов Iа1 и Iа0 сказывается сильнее, поэтому рост к. п. д. замедляется и начинается его некоторый спад. Коэффициент ζ при значительном увеличении Rэ может стать даже больше единицы (1,03—1,05).
Перенапряженный режим обладает целым рядом достоинств: относительное постоянство к. п. д., коэффициента использования анодного напряжения и напряжения на контуре, легкий тепловой режим анода лампы. Однако условия работы сеток генераторной лампы по мере перехода в перенапряженный режим становятся все более тяжелыми ввиду повышения колебательной мощности в цепи управляющей сетки.
Часто классификацию режимов работы генераторов ведут не с точки зрения сопротивления нагрузки, а исходя из величины токов управляющей сетки.
В недонапряженном режиме сеточные токи малы и не влияют на форму анодного тока. В перенапряженном режиме токи управляющей сетки велики, вследствие чего в импульсе анодного тока появляется впадина. В критическом (пограничном) режиме появляется ток управляющей сетки, но практически форма импульса считается косинусоидальной, несмотря на некоторую его уплощенность в верхней части.
В буферном режиме генератор работает без токов управляющей сетки. Мгновенное сеточное напряжение при этом всегда отрицательно, т. е. Umc<|Ес|. Генератор, работающий в буферном режиме, почти не потребляет мощности от предыдущего каскада (возбудителя) и не влияет на его режим. Поэтому каскад с буферным режимом (буферный каскад) всегда включают в схему, когда необходимо исключить влияние последующего каскада на предыдущий.
Режим работы усилителя мощности высокой частоты зависит также и от напряжений на электродах генераторной лампы. Для примера рассмотрим случай изменения напряжения смещения Ес при неизменных остальных напряжениях источников питания и сопротивлении нагрузки Rэ. За исходный примем оптимальный (критический) режим. Увеличение абсолютной величины отрицательного напряжения смещения приводит к уменьшению как угла отсечки θ, так и максимального значения импульса анодного тока. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока колебательного напряжения на контуре, колебательной и подводимой мощностей. Уменьшение коэффициента использования анодного напряжения обусловливает переход усилителя в менее напряженный режим. К. п. д. при этом падает. Уменьшение абсолютной величины отрицательного напряжения смещения вызывает переход генератора в перенапряженный режим.
Аналогично можно рассмотреть изменение режима работы генератора при изменении амплитуды напряжения возбуждения Umc, напряжения источника анодного питания Еа и напряжения на экранирующей сетке Ес2.
