Рис. 9.15. Усилитель мощности класса С

Анодное напряжение подводится через дроссель высокой частоты, а резонансный контур развязан от анода конденсатором. Передача мощности в нагрузку осуществляется обычно на принципе использования индуктивной связи. Одновременно эта связь служит для энергетического согласования нагрузки с лампой.

Принципиальная разница между усилителем напряжения и усилителем мощности класса С состоит в том, что лампа в усилителе мощности работает при большем отрицательном напряжении на сетке, чем напряжение отсечки анодного тока. В результате, если на сетку подастся переменное напряжение, анодный ток будет протекать в виде импульсов, длительность которых меньше половины периода частоты напряжения, подведенного к сетке. Из-за того что резонансный контур настроен на частоту возбуждающего усилитель напряжения, усиливаться будет лишь основная составляющая возбуждающего напряжения. Поскольку высшие гармоники этого напряжения сильно подавляются резонансным контуром, напряжение на контуре имеет синусоидальную форму, а его частота равна частоте возбуждающего напряжения.

Отрицательное постоянное напряжение на сетке обычно получают в схеме так называемого «динамического минуса», возникающего благодаря протеканию сеточного тока, который заряжает конденсатор С_с. Конденсатор С_с разряжается через резистор R_c. Если постоянная времени R_cC_c велика по сравнению с периодом управляющего напряжения, постоянное отрицательное напряжение на сетке почти равно амплитуде управляющего напряжения.

Основным преимуществом усилителя класса С является его высокий КПД, равный отношению выделенной в нагрузке мощности к мощности, подводимой от источника питания.

Высокий КПД усилителя класса С является результатом того, что анодный ток протекает импульсами в моменты, когда мгновенное падение напряжения на лампе мало. Коэффициент полезного действия тем выше, чем меньше та часть периода, в течение которой протекает ток. Если время протекания тоже очень мало, КПД может приближаться к 100 %. Одновременно снижается отдаваемая выходная мощность. Поэтому обычно выбирается компромисс между высоким КПД и отдаваемой мощностью, в связи с чем получаемые на практике значения КПД лежат в пределах 60–80 %.

Высокий КПД усилителя класса С имеет существенное значение при больших мощностях, когда КПД 1 % может соответствовать киловаттам подведенной к усилителю мощности.

Умножитель частоты — разновидность усилителя класса С, в котором анодный резонансный контур настроен на другую частоту, отличную от частоты возбуждающего напряжения. Поскольку импульсы анодного тока усилителя класса С содержат много гармоник, путем соответствующей настройки анодного контура, например на вторую или третью гармонику, можно получить на выходе усилителя полезную мощность с удвоенной или утроенной частотой возбуждающего напряжения.

Умножители частоты часто используются в измерительных генераторах, устройствах радиосвязи и передатчиках.

Генератор — это устройство, служащее для генерирования переменных колебаний без подведения извне какого-либо возбуждающего сигнала. По существу генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока[23].

Генераторы в зависимости от формы генерируемого колебания могут быть разделены на две основные группы. Различают генераторы синусоидальных и несинусондальных колебаний (например, прямоугольных, треугольных колебаний и т. п.). Последние известны под названием релаксационных генераторов.

К наиболее важным параметрам генератора относятся частота, ее стабильность, форма генерируемого колебания, мощность колебаний. Иногда имеет значение диапазон перестройки генератора. Не все параметры одинаково важны; значение каждого из них зависит от применения генератора. Например, генератор, задающий несущую частоту радиопередатчика, является генератором малой мощности, но с высокой стабильностью. В свою очередь генератор, предназначенный для нагрева, например, индуктивной или электрической печи, обычно имеет большую мощность, около 10–20 кВт, но требования к стабильности в этом случае невысокие.

Принципиальный критерий — вид электрического контура, определяющего частоту колебаний. Существуют генераторы с LC- и RС-элементами, а также электромеханические генераторы. В зависимости от механизма возникновения колебаний и цепи ОС генераторы подразделяются на генераторы с внешней и внутренней ОС, т. е. с использованием отрицательного сопротивления некоторых активных элементов, например тетрода или туннельного диода.

Последние применяют относительно редко. В зависимости от вида используемого активного элемента генераторы делятся на ламповые и транзисторные.

Простейшим генератором является сам контур, состоящий из индуктивности L и емкости С и не взаимодействующий непосредственно с активным элементом. В LC-контурах при соответствующих условиях могут возникать свободные собственные колебания, осцилляции. Основой работы генератора такого типа является эффект накопления энергии резонансным контуром.

Рассмотрим резонансный (колебательный) контур, представленный на рис. 10.1, а. Предположим, что конденсатор С заряжен до напряжения батареи Б. Допустим, что конденсатор разряжается через катушку индуктивности после размыкания ключа К₁ и замыкания ключа К₂. При разряде конденсатора через катушку энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. В результате явления самоиндукции в катушке возникает электродвижущая сила, которая поддерживает ток в контуре и перезаряжает конденсатор. В свою очередь конденсатор снова разряжается через катушку, и процесс повторяется сначала. Если бы контур был идеальным (без потерь), колебания в контуре имели бы чисто синусоидальную форму и длились бы бесконечно долго.

В действительности катушка выполнена из провода и имеет некоторое сопротивление потерь R. Это сопротивление при протекании тока вызывает потерю мощности. Иначе говоря, часть электрической энергии контура преобразуется в резисторе в тепловую энергию и не может быть использована другим способом. Поскольку в процессе каждой разрядки часть энергии теряется, конденсатор уже не может зарядиться до первоначального напряжения. В результате заряд, а отсюда и максимальное напряжение на конденсаторе уменьшаются с каждым периодом. Поэтому в контуре возникают колебания в виде затухающей синусоиды (рис. 10.1, б). Когда вся подведенная к контуру энергия преобразуется в резисторе в тепловую энергию, колебания прекращаются.

Частота колебаний в контуре в первом приближении равна его резонансной частоте f = 2π√(L·C). Амплитуда колебаний зависит от энергии, подведенной вначале к контуру, а скорость убывания (затухания) — от сопротивления потерь в контуре.