Усилитель с заземленной сеткой
Существует очень интересная разновидность усилителя с заземленной сеткой (рис. 1). В этой схеме все сетки непосредственно соединены с землей. Тетрод или пентод при этом превращается в триод с высоким коэффициентом усиления с заземленной сеткой.Как видно из схемы, здесь не нужны входные контуры, поскольку напряжение возбуждения подается ВЧ кабелем непосредственно на катод; отпадает необходимость в нейтрализации каскада, становятся излишними источник экранного напряжения и источник отрицательного напряжения смещения. Полученный в результате такого соединения сеток триод не требует напряжения смещения, так как ток покоя при нормальном анодном напряжении составляет для большинства ламп (несколько миллиампер. Если учесть к тому же, что при усилении однополосных сигналов экранное напряжение и напряжение смещения должны быть стабилизированы, преимущества этой схемы усилителя становятся еще более внушительными. Усилитель, собранный по такой схеме, требует несколько большей мощности возбуждения, но, как мы уже знаем, почти вся эта мощность поступает в антенну, так что некоторое умощнение предварительного каскада вполне себя оправдывает.
Тетроды и пентоды, у которых третья сетка или лучеобразующие пластины соединены с катодом внутри лампы, не рекомендуются для работы в такой схеме, потому что уже в 40-метровом любительском диапазоне они склонны к самовозбуждению, не говоря о более высоких частотах. Происходит это по той причине, что между заземленными сетками и анодом в этих лампах находится электрод, соединенный с катодом. Этот электрод находится под потенциалом высокой частоты, поскольку откосится к входной цепи, и в то же время расположен в непосредственной близости около анода, что и приводит к генерации. Когда заземлены все три сетки, возможность самовозбуждения практически исключена, так как они представляют превосходный экран между анодом и катодом.
Рис. 1.Линейность такого усилителя весьма высока, так что благодаря всем своим достоинствам он должен завоевать широкую популярность.
При использовании ламп прямого накала в накальную цепь включается дроссель высокой частоты. Конструктивно такой дроссель представляет катушку круглого или прямоугольного сечения диаметром от 20 до 40 мм. Длина намотки 15—25 см, намотка однослойная. Дроссель наматывается виток к витку одновременно двумя проводами, диаметр провода определяется током накала лампы. Плотность тока может составлять 4—6 а на 1 мм2 в зависимости от условий охлаждения. С одной стороны дросселя к двум концам подключается накальная обмотка трансформатора, с другой — нить накала лампы. Изготовляя накальный трансформатор, следует учесть небольшое падение напряжения на дросселе.
Накальный дроссель для уменьшения габаритов можно выполнить также с сердечником из магнитодиэлектрика. Для этой дели подходят альсиферовые тороидальные сердечники с наружным диаметром 40—50 мм и сечением 1—2 см2. Проницаемость альсифера около 60. Даже для 80-метрового диапазона бывает достаточно сделать 25—30 витков. Намотка ведется опять-таки двойным проводом, чтобы избежать подмагничивания сердечника током накала лампы. Чтобы предотвратить подмагничивание сердечника постоянной составляющей анодного тока, накальную обмотку трансформатора заземлять не следует. Для постоянной составляющей лучше обеспечить отдельную цепь, соединив катод или нить накала с землей через ВЧ дроссель, рассчитанный на максимальный анодный ток плюс ток сеток.
С несколько худшими результатами вместо тороидального сердечника можно применить стержень из магнитодиэлектрика, приняв те же меры к устранению подмагничивания его током накала и постоянным анодным током.
Токи сеток в таком усилителе могут иметь значительную величину. Основная часть тока соединенных вместе сеток приходится на управляющую сетку.
Мощность, рассеиваемую управляющей сеткой, можно подсчитать по формуле:
Pрасс=UмсIм / 2
где Uмс — амплитуда напряжения возбуждения;
Iм —амплитуда сеточного тока.Если рассеиваемая сеткой мощность превышает допустимую, то следует вывод сетки отсоединить от земли и подключить примерно к половине витков накального дросселя. Ток сетки значительно уменьшится. Если он будет опять выше нормы, нужно передвинуть вывод сетки ближе к тому концу дросселя, который соединен с катодом. Дроссель здесь используется как делитель напряжения. Чем ближе передвинут вывод управляющей сетки по виткам дросселя к катоду, тем больше потребуется мощности для возбуждения каскада, но вся дополнительно требуемая мощность выделится на сопротивлении нагрузки.
Усилитель с общей сеткой без контура в катоде обладает и некоторыми недостатками. Входное сопротивление его часто не соответствует волновому сопротивлению имеющихся кабелей. Отсутствие на входе резонансного контура приводит к тому, что входное напряжение становится несколько несимметричным, так как нагрузка на возбудитель существует лишь в один (отрицательный) полупериод входного напряжения, соответствующий положительному напряжению сеток относительно катода. Уровень побочных излучений при этом возрастает на 3—4 дб сравнительно со схемой, где имеется контур на входе, а к. п. д. падает на 4—5%.
Это явление устраняется включением на входе усилителя настроенного контура невысокой добротности. Контур можно кондуктивно связать с кабелем и катодом лампы. Связь подбирается перемещением отвода по виткам. Удобно применить для этой цели также П-образный контур, позволяющий плавно изменять связь с нагрузкой (рис. 2).
Это облегчает согласование с кабелем входного сопротивления усилителя, т.е. уменьшает необходимую мощность возбуждения. Для гармоник рабочей частоты создается малое сопротивление между входом и землей, что несколько уменьшает побочные излучения. Поскольку добротность входного контура невелика, подстройки его в пределах одного диапазона не требуется.
Рис. 2.Катушка L1 имеет 17 витков провода диаметром 1,3 мм, диаметр каркаса — 30 мм, длина намотки —60 мм, отводы от 2-, 4- и 10-го витков, считая от правого по схеме конца. Полная индуктивность — 4,2 мкгн. Катушка L2 (0,45 мкгн) — бескаркасная, имеет 5 витков провода диаметром 2 мм. Диаметр и длина катушки — 25 мм.
Важное значение имеет длина кабеля, соединяющего возбудитель с усилителем, так как он может оказывать трансформирующее действие. На каком-нибудь из диапазонов он может работать как четвертьволновый трансформатор, на другом — как полуволновый повторитель. Последний режим характерен тем, что если электрическая длина кабеля равна целому числу полуволн и он нагружен на некоторое сопротивление, то на входе кабеля сопротивление также будет равно R независимо от волнового сопротивления самого кабеля. Этим свойством полуволнового повторителя можно воспользоваться в данном случае.
Так, если электрическую длину соединительного коаксиального кабеля сделать равной половине длины волны в диапазоне 40 м (геометрическая длина около 14 м), на этом же отрезке в диапазоне 20 м будут укладываться две полуволны, на 14 м — три, а на 10 м — четыре. Во всех случаях кабель будет работать как трансформатор 1:1, т. е. если входное сопротивление усилителя 200 ом, это же сопротивление будет подсоединено к выходу возбудителя независимо от того, имеет сам кабель сопротивление 50, 75 или 100 ом. В диапазоне 80 м этот же отрезок будет работать как четвертьволновый трансформатор. Это значит, что если, к примеру, входное сопротивление у силителя будет 200 ом, а волновое сопротивление четвертьволнового отрезка кабеля 100 ом (1:2), то к выходу возбудителя будет подсоединена нагрузка вдвое меньшая, чем сопротивление кабеля, т. е. 50 ом.
Чтобы сделать соединительный кабель полуволновым на диапазоне 80 м, нужно вдвое увеличить его длину (до 28 м). Той же цели можно достичь другим путем — заменить недостающий четвертьволновый отрезок кабеля четырехполюсником с сосредоточенными параметрами — хотя бы простейшим П-образным, состоящим из двух конденсаторов и катушки, как обычный П-контур. Для кабеля 75 ом обе емкости равны 560 пф, индуктивность 3,3 мкгн, а для кабеля 50 ом емкости берутся по 820 пф, а индуктивность 2,3 мкгн. Эти данные приведены для 80-метрового диапазона, где П-контур с такими данными эквивалентен четвертьволновому отрезку линии.
Хотя волновое сопротивление полуволнового соединительного кабеля в принципе может быть любым, обычно стараются сделать его равным или близким входному сопротивлению усилителя, чтобы уменьшить потери в кабеле.
Если же соединительный кабель имеет случайную длину и нагрузка (входное сопротивление усилителя) имеет значительную нелинейность, может оказаться так, что вследствие изменяющегося КСВ кабель внесет свою переменную реактивность в контур возбудителя, расстраивая его в такт ВЧ колебаниям и вызывая тем самым фазовую модуляцию составляющих однополосного сигнала, что приведет к появлению новых частот в спектре сигнала.
Для согласования возбудителя с усилителем в соединительный кабель полезно включить измеритель коэффициента стоячей волны и добиться минимального значения КСВ. Эта операция производится при полной мощности возбуждения.
Предоконечный усилитель не следует выполнять по схеме с заземленной сеткой, если его нагрузка (вход оконечного усилителя) нелинейна, т. е. изменяется во времени с изменением напряжения (например, в режиме АВ2).
Литература
С.Бунимович, Л.Яйленко. "Техника однополосной связи", 1970 г.
[ На главную ] [ Усилители мощности ]