Сопоставление вакуумного триода и транзистора.

Авторы работы: Рыжиков Александр , Могилевец Роман.

Основные отличия:

1) вакуумные триоды всегда униполярны (электрический ток

обеспечивается только носителями заряда одного знака – электронами);

2) в вакуумных триодах электроны движутся в вакууме, а в

транзисторах – в полупроводниковом кристалле.

3) вакуумный триод является полевым прибором. В цепи сетка-катод

ток не протекает. Изменение анодного тока не связано с изменением

сеточного тока, а обусловлено изменением электрического поля на сетке

относительно катода. Этим вакуумный триод похож на полевой транзистор.

4) вакуумные приборы работают при плотностях тока во много раз

меньше транзисторов. Это обуславливается тем, что размер вакуумных

приборов в несколько раз больше по сравнению с транзисторными

приборами.

Схема с общим катодом

Схема с общим катодом – это основная схема построения ламповых

каскадов, предназначенных для усиления напряжения. (Рисунок 6)

Рисунок 6

–

Схема с общим катодом

Между анодом и положительным выводом источника питания

включается анодный резистор. Появление переменного напряжения на сетке

вызывает изменения тока между катодом и анодом, а так как напряжение

источника питания фиксировано, возникает делитель напряжения –

сопротивление катод-анод. Это приводит к появлению переменного

напряжения на выходе. При этом инвертируется фаза сигнала: увеличение

смещения на сетке приводит к уменьшению тока в цепи анод-катод,

следовательно, и к уменьшению выходного напряжения. Фиксированным

смещением называется смещение, которое подается на сетку от независимого

источника. Для создания на сетке отрицательного потенциала относительно

катода достаточно между катодом и общим проводом включить резистор.

Падение напряжения на этом резисторе и будет напряжением

смещения (отсчитываемым от катода к общему проводу). Напряжение между

анодом и катодом будет отличаться на эту величину от напряжения между

анодом и общим проводом. Для того, чтобы на сетке не накапливался заряд,

включают резистор сопротивлением от нескольких десятков до нескольких

сотен килом. Он задает входное сопротивление каскада. Установление

смещения на сетке включением резистора в цепь катода лампы называют

режимом автоматического смещения. Это название связано с тем, что при

таком режиме возникает местная отрицательная обратная связь по току.

Представим, что в силу какой-то причины напряжение источника

питания увеличилось. Это приведет к росту анодного тока. Рост тока

приведет к росту напряжения на катодном резисторе, т. е. к росту

напряжения смещения. А это вызовет снижение анодного тока. При

уменьшении напряжения источника питания произойдет обратный эффект:

снижение анодного тока вызовет снижение напряжения смещения и, как

следствие, произойдет возрастание анодного тока. Таким образом,

возникающая отрицательная обратная связь будет стабилизировать режим

работы лампы при колебаниях напряжения источника питания. Кроме того,

наличие отрицательной обратной связи снижает коэффициент гармонических

искажений при одновременном снижении коэффициента усиления.

Автоматическое смещение чаще всего применяют для триодов малой и

средней мощности. Коэффициент усиления таких триодов составляет от 10

до 100, поэтому напряжение смещения во много раз меньше анодного

напряжения, а сопротивление катодного резистора, соответственно, много

меньше сопротивления анодного резистора. В случае мощных триодов с

коэффициентом усиления 2—3 и током 100 и более миллиампер, падение

напряжения на катодном резисторе составляет десятки вольт, а выделяемая

на нем мощность — десяток ватт. Поэтому для мощных триодов чаще

применяют фиксированное смещение. В этом случае катод триода

соединяется с общим проводом, а смещение на сетку подается от

независимого источника напряжения [10].

1.1 Катодный повторитель

Для ламп с большим коэффициентом усиления (около 100) внутреннее

сопротивление обычно велико и составляет многие десятки килоом. Поэтому

выходное сопротивление таких каскадов трудно сделать меньшим 20 кОм.

Это накладывает серьезные ограничения на работу ламповых усилителей

напряжения совместно с последующими каскадами, если эти каскады

построены на биполярных транзисторах. Такая же проблема возникает, если

ламповый усилитель напряжения (или, например, ламповый фонокорректор)

выполняется в виде отдельного устройства и предназначен для работы с

различными внешними устройствами.

Обычно в звукотехнике входное сопротивление усилителя равно 47

кОм. При работе лампового усилителя напряжения в составе гибридного

усилителя совместно с оконечным транзисторным усилителем тока

необходимо, чтобы ламповый усилитель напряжения имел выходное

сопротивление менее 1 кОм, если оконечный усилитель тока выполнен на

биполярных транзисторах. Для того, чтобы понизить выходное

сопротивление лампового усилителя напряжения, необходимо использовать

дополнительный ламповый каскад, получивший название «катодный

повторитель».(Рисунок 7)

Рисунок 7

–

Катодный повторитель

Этот каскад обладает высоким входным и низким выходным

сопротивлением, однако не дает усиления по напряжению. Коэффициент

передачи по напряжению (термин «коэффициент усиления по напряжению»

здесь неприменим) катодного повторителя близок к 1, т. е. напряжение на

катоде повторяет напряжение на сетке триода, откуда и произошло название

каскада. При этом через катодный резистор возникает 100 %-ная местная

отрицательная обратная связь. Коэффициент передачи по напряжению К

катодного повторителя определяется выражением:

K=

µ

µ

+

1

= 0,90…0,99,

А выходное сопротивление каскада определяется формулой:

R

вых

=

R

i

µ

+

1

≈

R

i

µ

=

1

S

.

Таким образом, можно обобщить свойства катодного повторителя:

коэффициент передачи и выходное сопротивление катодного повторителя в

µ+1 раз меньше, чем коэффициент усиления µ и внутреннее сопротивление

Ri триода, соответственно. Катодный повторитель сохраняет фазу входного

сигнала: напряжение на катоде изменяется синфазно с изменением

напряжения на сетке. Сопротивление катодного резистора выбирают

примерно равным или в 1,5—3 раза большим, чем внутреннее сопротивление

лампы.

Напряжение на катоде обычно равно примерно половине напряжения

источника питания. Для нормальной работы лампы необходимо обеспечить

смещение на сетке в соответствии с выбранной рабочей точкой. Это можно

сделать несколькими способами. Во-первых, можно применить внешнее

фиксированное смещение [11]. Однако, для маломощных ламп его обычно не

используют. Во-вторых, можно установить требуемое напряжение на сетке

относительно катода с помощью делителя напряжения, установив резистор R

между положительным выводом источника питания и сеткой. В-третьих,

можно последовательно с катодным резистором установить резистор R много

меньшего сопротивления, а нижний по схеме вывод резистора R0 соединить

со средней точкой двух резисторов в цепи катода. Выбор сопротивления

дополнительного резистора R проводят так же, как выбор катодного

резистора в схеме с общим катодом, т. е. просто по закону Ома, исходя из

расчетного анодного тока и требуемого напряжения смещения.

Обычно для уменьшения фона переменного тока один из выводов нити

накала заземляют. Часто заземляют среднюю точку, образованную двумя

одинаковыми резисторами сопротивлением порядка 100 Ом, подключенными

к концам нити накала. В обоих случаях напряжение на нити накала

относительно земли не превышает напряжения накала, т. е. 6 или 12 В.

Однако для катодного повторителя это не всегда допустимо. Дело в том, что

нить накала находится в непосредственной близости от катода и напряжение

в сотню и более вольт между катодом и нитью накала может привести к

напряженности электрического поля в несколько кВ/см. Это может сократить

срок службы триода и даже нарушить его нормальную работу. Предельно

допустимое напряжение катод-накал всегда указывают в паспортных

характеристиках лампы. Для уменьшения разности потенциалов между

катодом и накалом к одному из выводов нити накала подают постоянное

напряжение от источника питания через делитель напряжения, образованный

двумя резисторами.

1.2 Комбинация: каскад с общим катодом + катодный повторитель

Рисунок 8

–

Каскад с общим катодом и катодным повторителем

Схема, представленная выше, является каскадом усиления напряжения

на триоде V1. К её выходу подключен катодный повторитель на триоде V2

без разделительного конденсатора [12]. Такое включение становится

возможным благодаря тому, что напряжение на аноде первого триода и

напряжение катода второго триода близки в половине напряжения источника

питания. Подбором параметров резисторов разность этих напряжений можно

сделать равной требуемому напряжению смещения для второго триода.

Наиболее просто установление требуемых режимов реализуется при

использовании двух одинаковых триодов или двух половинок двойного

триода. Тогда сопротивления анодного резистора RA первого триода и

катодного резистора RK2 второго триода просто выбирают одинаковыми. В

этом случае второй триод приобретает смещение на сетке, совпадающее со

смещением, которое создается катодным резистором Rk для первого триода.

Анодное напряжение первого триода выбирается равным половине

напряжения источника питания. Тогда усиление каскада приблизительно

равно /2, а выходное сопротивление — Ri/. Таким образом, комбинация двух

последовательных каскадов с непосредственной связью — каскада с общим

катодом и катодного повторителя — представляет собой практический

идеальный «строительный кирпичик» для разработки усилителей. Эта схема

имеет минимум пассивных компонентов. Четко определенный коэффициент

усиления по напряжению и низкое выходное сопротивление (обычно

меньшее 1 кОм) являются её характеристиками. Коэффициент усиления по

напряжению можно немного увеличить, включив в первом каскаде

параллельно катодному резистору конденсатор Ск. Для того чтобы выбрать

номиналы значений резисторов нужно вначале по анодно-сеточным

характеристикам лампы выбирать значения анодного тока 1А и анодного

напряжения UA. Его удвоенное значение даст необходимое значение

источника питания U0. Значение сопротивления резистора RA выбирается в

2—4 раза больше внутреннего сопротивления триода JR. и (по возможности)

с учетом рабочей точки и линейности режима лампы. Затем из «закона Ома»

записываем выражения, связывающие все параметры схемы.