Двухполупериодный выпрямитель

 

Схема двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 5.1.8.

Тр

Л

 

 

Рис. 5.1.8. Схема двухполупериодного выпрямителя

 

Двухполупериодный выпрямитель имеет два кенотрона и трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными последовательно. К выводам каждой из вторичных обмоток подключен анод своего кенотрона. Катоды кенотронов соединены вместе и подключены к положительному зажиму выпрямителя. Вместо двух кенотронов может использоваться один кенотрон с двумя анодами.

Точка соединения обмоток (средняя точка) подключена к отрицательному зажиму выпрямителя. В результате такого соединения напряжения на выводах обоих вторичных обмоток относительно средней точки находятся в противофазе.

Следовательно, если на анод одного из кенотронов воздействует положительный полупериод переменного напряжения, то в это время на анод другого кенотрона воздействует отрицательный полупериод. Поэтому токи в анодных цепях кенотронов протекают поочередно. Поскольку катоды обоих ламп соединены вместе и подключены к нагрузке, то в нагрузке поочередно будут протекать токи обоих ламп. Таким образом, величина суммарного тока в двухполупериодном выпрямителе получается в 2 раза большей, чем в однополупериодном.

Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя приведены на рис. 5.1.9.

t

 

 

t

 

 

t

 

 

t

 

 

t

 

 

Выпрямитель с удвоением напряжения

 

В состав выпрямителя с удвоением напряжения входят:

– трансформатор Тр;

– два кенотрона Л ₁ и Л ₂;

– два конденсатора одинаковой емкости С ₁ и С ₂.

Принцип работы выпрямителя заключается в том, что напряжение нагрузки снимается с двух последовательно соединенных конденсаторов С₁ и С₂. Один из этих конденсаторов заряжается анодным током лампы Л₁ во время действия положительного полупериода переменного входного напряжения, а второй – анодным током лампы Л₂ во время действия отрицательного полупериода. Таким образом, напряжение на нагрузке равно удвоенному значению напряжения, развиваемого вторичной обмоткой трансформатора.

Схема выпрямителя с удвоением напряжения приведена на рис. 5.1.10.

 

 

 

 

Рис. 5.1.10. Схема выпрямителя с удвоением напряжения

 

 

Сглаживающие фильтры

 

Ток на выходе любого выпрямителя является пульсирующим током. Этот ток состоит из постоянной составляющей и переменных составляющих, частоты которых являются кратными частоте выпрямленного тока.

Например, составляющие тока, получаемого на выходе двухполупериодного выпрямителя, имеют следующие значения:

I ₀ = 0,636 I _max ;

I ₂ = 0,424 I _max;

 

где I _max – максимальное значение выпрямленного тока;

I ₀ – постоянная составляющая выпрямленного тока;

I ₂ – амплитуда переменной составляющей с частотой, равной удвоенной частоте питающего напряжения.

Характеристикой величины пульсаций выпрямленного тока является коэффициент пульсаций К _п :

К _п = · 100 %

В соответствии с этим определением, коэффициент пульсаций на выходе двухполупериодного выпрямителя равен:

К _п = · 100% = 66 %;

Для питания ламп, электронно-лучевых трубок и других электронных устройств необходим постоянный ток с коэффициентом пульсаций 1 – 2 %. Поэтому на выходе выпрямителя должно быть предусмотрено специальное устройство, уменьшающее коэффициент пульсаций до требуемой величины. Такие устройства называются сглаживающими фильтрами.

Для оценки качества фильтрации применяется понятие "коэффициент сглаживания". Коэффициент сглаживания q представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра K _{п. вх} к коэффициенту пульсаций на его выходе K _{п. вых} :

 

q = ;

 

Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной фильтр. Емкостной фильтр представляет собой конденсатор большой емкости С _ф, включенный параллельно нагрузке. Принцип действия такого фильтра заключается в том, что емкостное сопротивление конденсатора для переменного тока Х _с = 1/ wC очень мало, поэтому переменная составляющая выпрямленного тока проходит через этот конденсатор, минуя нагрузку.

Для увеличения коэффициента сглаживания применяются Г-образные и П-образные индуктивно-емкостные фильтры (рис. 5.1.11, а, b).

 

 

 

C R _н С₁ С₂ R _н

 

а) Г-образный фильтр b) П-образный фильтр

Рис. 5.1.11. Схемы индуктивно-емкостных фильтров

 

Для однозвенного Г-образного фильтра коэффициент сглаживания равен:

q = 2 π f · L C;

 

При выборе параметров элементов фильтра необходимо учитывать, что собственная частота фильтра ω = должна быть значительно ниже частоты пульсаций. При невыполнении этого требования амплитуда пульсаций на выходе фильтра может возрасти за счет резонансных свойств фильтра.

При малых токах нагрузки выпрямителя фильтр можно упростить, заменив дроссель L резистором. Такой фильтр называется реостатно-емкостным.

 

 

§ 2. Трехэлектродная электронная лампа (триод)

 

Принцип работы

 

Трехэлектродной электронной лампой называется электровакуумный прибор с тремя электродами. Трехэлектродная электронная лампа получила название “ триод ”. Кроме катода и анода, триод имеет еще третий электрод. Этот электрод представляет собой сетку, расположенную между катодом и анодом. Сетка служит для управления анодным током лампы, поэтому она называется управляющей сеткой. Конструктивно управляющая сетка выполняется в виде тонкой проволочной спирали, окружающей катод. При работе лампы электроны, испускаемые катодом, проходят к аноду через промежутки между витками спирали.

Если на сетку подать напряжение, отрицательное относительно катода, то сетка будет противодействовать движению электронов к аноду, т. к. отрицательно заряженные электроны будут отталкиваться витками сетки, тоже имеющей отрицательный потенциал. Таким образом, имеется возможность уменьшения анодного тока лампы путем увеличения отрицательного напряжения между сеткой и катодом. Увеличивая отрицательное напряжение на сетке, можно добиться полного прекращения анодного тока лампы. Величина напряжения на управляющей сетке, при котором прекращается анодный ток, называется напряжением запирания лампы.

Если же на сетку подать напряжение, положительное относительно катода, то электрическое поле сетки, складываясь с электрическим полем анода, будет ускорять движение электронов к аноду, увеличивая анодный ток. При этом часть электронов будет попадать на сетку, в результате чего появится ток в цепи управляющей сетки. Этот ток называется сеточным током.

 

 

Статические характеристики

 

Основными статическими характеристиками лампового триода являются:

a) анодно-сеточная характеристика;

b) анодная характеристика.

 

Анодно-сеточная характеристика трехэлектродной лампы, снятая для двух различных анодных напряжений U _A1 и U _A2, приведена на рис. 5.1.12.

I _A U _A2

U _A2 > U _A1

U _A1

 

- U _c U _c

 

Рис. 5.1.12. Анодно-сеточная статическая характеристика

лампового триода

Анодно-сеточная статическая характеристика представляет собой зависимость анодного тока лампы от напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде.

Анодная статическая характеристика лампового триода при трех различных напряжениях на управляющей сетке U _c приведена на рис. 5.1.13.

Анодная статическая характеристика представляет собой зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении на управляющей сетке.

I _A

+ U _c U _c= 0 – U _c

 

U_A

 

Рис. 5.1.13. Анодная статическая характеристика

лампового триода

 

Любая из рассмотренных характеристик триода позволяет сделать вывод, что ток в анодной цепи триода зависит от напряжения на аноде и от напряжения на управляющей сетке.

 

 

Параметры

 

Основными статическими параметрами триода являются:

a) крутизна характеристики S (мА/В) – параметр, показывающий степень влияния сеточного напряжения на анодный ток лампы при постоянном анодном напряжении:

S = U_A=const

Крутизна может быть определена из анодно-сеточной характеристики как отношение малого приращения анодного тока к соответствующему приращению сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении:

 

S = ;

 

В зависимости от типа лампы, крутизна характеристики для триода составляет 1 – 10 мА/В.

 

b) внутреннее сопротивление переменному току R_i (Ом):

 

R _i = U_С= const;

Внутреннее сопротивление триода можно определить из анодной характеристики лампы как отношение малого приращения анодного напряжения к соответствующему приращению анодного тока при постоянном напряжении на сетке:

R _i = ;

Величина внутреннего сопротивления триодов составляет 0,5 – 100 кОм.

c) коэффициент усиления μ – число, показывающее, во сколько раз изменение напряжения на сетке действует на анодный ток сильнее, чем такое же изменение анодного напряжения. Этот коэффициент определяется выражением:

μ = i_A= const;

 

Численно коэффициент усиления равен отношению изменения анодного напряжения к изменению напряжения на сетке, вызывающего такое же приращение анодного тока:

μ = ;

Величина коэффициента усиления для триодов составляет:

μ = 10 – 100.

d) проницаемость D, котораяпредставляет собой величину, обратную коэффициенту усиления:

D = ;

Рассмотренные параметры связаны между собой следующим соотношением:

S · R_i · D = 1;

 

Эта формула называется внутренним уравнением трехэлектродной лампы. Она позволяет по двум известным параметрам находить третий.

 

 

Применение

 

Трехэлектродные лампы широко используются в качестве усилителей и генераторов электрических колебаний.

 

Схема усилителя с использованием лампового триода приведена на рис. 5.1.14, а диаграмма, поясняющая его работу – на рис. 5.1.15.

 

 

 

~

 

 

 

 

	Рис. 5.1.14. Схема усилителя с использованием лампового триода

 

I _A

I _ma

 

 

I ₀ t

 

 

– U _c + U _c

 

U _mc

 

 

Рис 5.1.15. Диаграмма, поясняющая работу лампового усилителя

 

 

Переменное напряжение с амплитудой U _mc, подаваемое на сетку лампы, вызывает изменение ее анодного тока. В результате этого, в анодной цепи лампы протекает ток, состоящий из постоянной составляющей I ₀ и переменной составляющей с амплитудой I _ma. Переменная составляющая указанного тока, протекая через сопротивление нагрузки R _н, создает на нем падение напряжения с амплитудой U _ma = I _ma · R _н. Отношение амплитуды выходного напряжения U _ma к амплитуде входного напряжения U _mc представляет собой коэффициент усиления усилительного каскада.

Недостатки триодов

 

– малый коэффициент усиления;

– большая емкость между анодом и управляющей сеткой, ограничивающая диапазон рабочих частот;

– малая величина внутреннего сопротивления.

 

 

§ 3. Четырехэлектродная электронная лампа (тетрод)

Принцип работы тетрода

 

Основные недостатки, присущие трехэлектродным лампам, устранены в четырехэлектродных лампах, называемых тетродами.

Для того, чтобы уменьшить емкость между анодом и управляющей сеткой лампы, в тетрод введена вторая сетка, которая расположена между анодом и управляющей сеткой. Эта вторая сетка выполняет роль экрана между анодом и управляющей сеткой, поэтому она называется экранирующей сеткой. В результате этого, силовые линии электрического поля, создаваемого анодом, могут воздействовать на катод только после прохождения обеих сеток. Поскольку в этом случае электрическое поле между анодом и управляющей сеткой ослабляется, то соответственно уменьшается и емкость "анод – управляющая сетка". При этом проницаемость D значительно уменьшается, а коэффициент усиления μ возрастает.

Для того, чтобы экранирующая сетка не уменьшала величины анодного тока, на нее тоже подается положительное напряжение. В этом случае она помогает аноду притягивать электроны. Однако, для того, чтобы экранирующая сетка выполняла роль экрана между анодом и управляющей сеткой, ее нужно соединить с катодом через конденсатор большой емкости. Емкость этого конденсатора должна выбираться такой, чтобы на рабочей частоте конденсатор представлял для переменной составляющей как можно меньшее сопротивление.

Наряду с положительными качествами, тетрод имеет один очень существенный недостаток:

Электроны, движущиеся с большой скоростью, попадают на анод и выбивают с его поверхности вторичные электроны. Это явление называется вторичной эмиссией. Если положительное напряжение на аноде больше, чем на экранирующей сетке, то вторичные электроны вновь будут притягиваться анодом, и нормальная работа лампы при этом не нарушится. Однако, при работе лампы может оказаться, что в некоторые моменты времени напряжение на аноде будет ниже, чем на экранирующей сетке.

Тогда вторичные электроны будут притягиваться этой сеткой, в результате чего между анодом и экранирующей сеткой появится ток в направлении, противоположном направлению анодного тока. При этом суммарный анодный ток начнет уменьшаться, а ток в цепи экранирующей сетки – увеличиваться. Произойдет искажение характеристики лампы. Указанное явление называется динатронным эффектом.

 

 

Лучевой тетрод

 

С целью предотвращения динатронного эффекта создана четырехэлектродная лампа специальной конструкции, называемая лучевым тетродом. В лучевом тетроде предусмотрены специальные экраны, расположенные между экранирующей сеткой и анодом и электрически соединенные с катодом. Эти экраны препятствуют равномерному движению электронов от катода к аноду по всем направлениям. Благодаря применению экранов, электроны движутся к аноду только двумя узкими лучами. Плотность заряда в этих лучах оказывается настолько высокой, что вторичные электроны отталкиваются этими лучами обратно к аноду.

 

 

§ 4. Пятиэлектродная электронная лампа (пентод)

 

Принцип работы пентода

 

Пятиэлектродная электронная лампа, или пентод, также свободна от динатронного эффекта. Предотвращение динатронного эффекта в этой лампе достигается применением третьей сетки, которая называется антидинатронной, или защитной сеткой. Защитная сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой и электрически соединяется с катодом. Благодаря тому, что защитная сетка имеет отрицательный потенциал относительно анода, происходит отталкивание вторичных электронов обратно к аноду.

Кроме того, наличие третьей сетки увеличивает коэффициент усиления лампы и уменьшает емкость между анодом и управляющей сеткой.

Зависимость величины анодного тока от изменений анодного напряжения у пентода значительно меньше, чем у триода и тетрода, поэтому внутреннее сопротивление пентода больше по сравнению с внутренним сопротивлением триода и тетрода. Его величина составляет сотни и тысячи кОм.