Работа усилительной ступени с транзистором

Тема 1.2 Физические основы работы ГВВ

Лекция Динамические и нагрузочные характеристики

Учебные вопросы:

Понятие динамического режима работы ламп

Построение динамических характеристик

Работа усилительной ступени с транзистором

Контрольные вопросы:

1 Нарисовать выходную характеристику триода

2 Из каких участков состоит анодно-сеточная характеристика триода

3 Схема для снятия статических характеристик транзистора

1 Понятие динамического режима работы ламп

В радиоаппаратуре лампы большей частью работают в динамическом режиме. Только в случае, если нагрузочное сопротивление мало по сравнению с внутренним сопротивлением лампы, можно приближенно считать режим статическим (например, если в анодную цепь включен только миллиамперметр или какой-либо другой прибор с малым сопротивлением).

В статическом режиме анодное напряжение Uа равно напряжению анодного источника Еа и остается постоянным при колебаниях сеточного напряжения, несмотря на изменения анодного тока. А в динамическом режиме анодное напряжение меньше, чем напряжение анодного источника, так как часть последнего падает на нагрузочном сопротивлении Работа лампы в динамическом режиме имеет ту особенность, что при наличии переменного напряжения на сетке, анодное напряжение также изменяется.

Ua = Ea-IaRa.

Если на сетку лампы подано переменное напряжение, анодный ток пульсирует, меняется падение напряжения на нагрузочном сопротивлении, а следовательно, изменяется и напряжение на аноде. При этом изменение анодного напряжения оказывается в противофазе по сравнению с изменением сеточного напряжения. Пусть, например, сеточное напряжение увеличилось. Анодный ток возрастет, и увеличится падение напряжения на нагрузочном сопротивлении, а напряжение на аноде соответственно уменьшится, т. е. изменится в обратную сторону по сравнению с сеточным напряжением. Таким образом, изменение анодного напряжения противодействует изменениям сеточного напряжения. Когда под действием сеточного напряжения происходит увеличение анодного тока, то уменьшение анодного напряжения создает некоторое уменьшение анодного тока и наоборот. Благодаря этому анодный ток в динамическом режиме изменяется меньше, нежели в статическом режиме, когда нет противодействия со стороны анода, называемого реакцией анода. Крутизна лампы в динамическом режиме меньше статической крутизны S.

2 Построение динамических характеристик

Для изучения работы ламп в динамическом режиме пользуются динамической характеристикой. Ее нетрудно построить, если заданы семейство статических характеристик, напряжение анодного источника Еа и сопротивление нагрузки Ra. На рис. показано построение сеточной динамической характеристики некоторой лампы для случая, когда Еа =200 в и Ra =5000 ом. Если Uc = —12 в, то лампа заперта и анодный ток равен нулю. Поэтому начало (точка А) динамической характеристики совпадает с началом статической характеристики для Ua=200 в. При уменьшении отрицательного напряжения сетки лампа отпирается, появляется анодный ток, который создает падение напряжения на Ra, и анодное напряжение уменьшается. Для построения динамической характеристики поступаем следующим образом. При некотором анодном токе, Uа=150 в, т. е.

на Ra падает напряжение 200—150 = 50 в. В этом случае анодный ток можно найти по закону Ома

Ему соответствует точка Б. Переход в эту точку осуществляется изменением сеточного напряжения с —12 до —5 в.

Для Ua =100 в подобным же образом найдем точку В, которой соответствует ток Iа =100/5000=

=0, 02 а = 20 ма. При Ua = 50 в получаем точку Г, для которой имеем Ia=150/5000=0.03a

Через все эти точки проходит сеточная динамическая характеристика, которая показывает изменения анодного тока и анодного напряжения в зависимости от сеточного напряжения, а также разницу между статическим и динамическим режимами. В статическом режиме Uа=Eа=200 в и поэтому изменение сеточного напряжения с —12 до —5 в дает изменение анодного тока на 25ma на (до точки Б'). А в динамическом режиме анодный ток нарастает только на 10 ма (до точки Б), так как происходит уменьшение анодного напряжения на 50 в. Как видно, крутизна динамической характеристики значительно меньше чем статической характеристики. Чем больше сопротивление Ra, тем сильнее изменение анодного напряжения и тем меньше изменение анодного тока, т. е. динамическая крутизна становится меньше и сама динамическая характеристика проходит ниже

Изучая работу тех или иных ламп в динамическом режиме мы будем пользоваться динамической характеристикой, изображая ее без семейства статических характеристик.

Динамическая характеристика может быть построена и в семействе анодных статических характеристик. Это построение оказывается более простым, так как анодная динамическая характеристика является прямой линией.

Чтобы можно было сделать сравнение, на рис. изображены анодные характеристики той же лампы, для которой были показаны на рис. сеточные характеристики, и взяты прежние величины Еа =200 в и Ra =5 ком.

Построение делается с помощью уравнения Uа = Еа —IаRа. Это уравнение первой степени относительно Ua и Ia в системе координат Ia, Ua оно изображается прямой линией, которая и является анодной динамической характеристикой (ее также называют линией нагрузки). Такую характеристику удобно строить по точке ее пересечения с осями координат. Если в приведенном выше уравнении принять Ia =0, то получим Ua = Еа (точка А). В этом случае лампа заперта значительным отрицательным напряжением на сетке. Точка А соответствует начальной точке А сеточной динамической характеристики. Вторая точка определяется, если принять Ua=0. Тогда, решая уравнение относительно Ia, найдем Ia = Еа /Ra.В нашем случае Ia = 200/5 = 40 ма.

Отложив эту величину на оси ординат, получим точку М Прямая линия, проведенная через точки А и М, и есть анодная динамическая характеристика.

В отличие от точки А, соответствующей реальному запиранию лампы, точка М не соответствует какому-либо действительному режиму, так как при Ua=0 анодный ток не может иметь наибольшее значение, а равен нулю. Таким образом, точка М нужна лишь для построения динамической характеристики и она, и участок линии AM около этой точки не соответствуют действительной динамической характеристике (точка М соответствует случаю, когда анод и катод лампы замкнуты накоротко).

Анодная динамическая характеристика наглядно показывает, что при изменении сеточного напряжения в положительную сторону анодный ток растет, но вместе с тем уменьшается анодное напряжение, так как возрастает падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Имея анодную динамическую характеристику, можно найти анодный ток, анодное напряжение и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении Ur при любом напряжении на сетке. Например, если Uc = — 4 в (точка Д), то получаем Ia = 12 ма, Ua = 140 в и Ur = 60 в. При токе 1а = 12 ма действительно Ur = laRa = 12 • 5 = 60 в и Ua= Еа — Ur =200—60=140в.

В статическом режиме, когда сопротивление нагрузки Ra отсутствует, напряжение на аноде равно 200 в и при Uс = —4 в ток равен 30 ма. Уменьшение тока в динамическом режиме до 12 ма вызвано понижением анодного напряжения с 200 в до 140 е.

Чем больше Ra, тем меньше ток в лампе при прочих равных условиях и тем ниже проходит динамическая характеристика (точка М расположена ниже). Однако точка А остается на месте, так как она определяется только напряжением источника Еа.

Вследствие того, что анодная динамическая характеристика строится просто и позволяет удобно определять величины Ua и Ur, ее используют для различных расчетов с электронными лампами.

3 Работа усилительной ступени с транзистором

Работа усилительной ступени с транзистором аналогична усилению колебаний с помощью лампы. В усилительной ступени с вакуумным триодом напряжение анодного источника делится между внутренним сопротивлением лампы для постоянного тока Rо и сопротивлением нагрузки Ra. Эквивалентная схема анодной цепи такой ступени для постоянного тока показана на рис. Если на сетку лампы подано переменное напряжение, то сопротивление Rо станет изменяться. Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем больше Ro. При запирании лампы Rо становится бесконечно большим. Наоборот, при изменении сеточного напряжения в положительную сторону сопротивление Rо уменьшается. Так как при изменении R0 нагрузочное сопротивление Ra остается постоянным, то напряжение источника Еа все время перераспределяется между R0 и Ra. Колебания напряжения на Ra получаются значительными (если Ra взято достаточно большой величины), хотя изменения R0 вызваны сравнительно небольшими изменениями напряжения на сетке.

Таким образом, получается усиление переменного напряжения. Кроме того, ламповая усилительная ступень дает усиление тока и мощности. Даже в случае, если бы переменное напряжение на Ra было равно переменному напряжению сетки, за счет того, что переменный ток в анодной цепи гораздо больше, чем в сеточной, получалось бы усиление мощности. Практически ток

сетки в большинстве случаев настолько мал, что его можно считать равным нулю. Следовательно, мощность в цепи сетки во много раз меньше, чем в анодной цепи, т. е. налицо огромное усиление по мощности. Усиленная мощность получается за счет энергии постоянного тока анодного источника.

В усилительной ступени с транзистором напряжение коллекторного источника E2 делится между сопротивлением нагрузки Rн и внутренним сопротивлением транзистора, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода Rк для постоянного тока. В действительности к нему еще добавляются небольшие сопротивления тонкого слоя базы и эмиттерного перехода, которые можно не принимать во внимание.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера. Это вызывает изменение сопротивления коллекторного перехода Rк. Тогда напряжение источника E2 будет перераспределяться между RK и RH. Переменное напряжение на сопротивлении нагрузки получается в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение транзистора. Изменения тока коллектора у транзистора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в схеме с общим эмиттером получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2.

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительной ступени с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения равны Е1=0, 2 в и Е2=12 в, сопротивление нагрузки RH=4 ком и сопротивление коллекторного перехода при отсутствии колебаний на входе также равно 4 ком, т. е. полное сопротивление коллекторной цепи — 8 ком. Тогда ток коллектора, который можно считать равным току эмиттера, составляет Iк = 12: 8= 1, 5 ма. Напряжение E2 разделится пополам и напряжения на RH и на сопротивлении коллекторного перехода будут по 6 в (на эмиттерном переходе, имеющем малое сопротивление, напряжение настолько невелико, что его можно не принимать во внимание).

Если от источника колебаний на вход поступает положительное напряжение 0, 1 в, то общее напряжение на участке база — эмиттер становится равным 0, 3 в. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастет до 2 ма. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на сопротивлении нагрузки падение напряжения 2*4 = 8 в, а падение напряжения на сопротивлении коллекторного перехода уменьшится до 12—8 = 4 в. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 4: 2 = 2 ком. Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение — 0, 1 в, произойдет обратное явление. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 1 ма. На сопротивлении нагрузки падение напряжения уменьшится до 1*4=4 в. а на сопротивлении коллекторного перехода оно возрастет до 8 в; следовательно, это сопротивление увеличилось до 8: 1 =8 ком. Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения 0, 1 в вызывает изменение сопротивления коллекторного перехода от 2 до 8 ком и при этом напряжение на нагрузочном сопротивлении, т. е. выходное напряжение, изменяется на 2в в ту и другую сторону (от 8 до 4 в). Можно сказать, что ступень дает усиление напряжения в 20 раз, так как изменение на 2в в 20 раз больше, чем изменение на 0, 1 в.