Ламповый усилитель – рабочая точка

В статье ламповый усилитель – физика работы мы задались следующими вопросами:

• при каком отрицательном напряжении на сетке лампа запрется совсем (ток через нее будет равным нулю);
• какой будет ток через лампу если она полностью открыта (при нулевом напряжении на сетке), заодно – какое при этом будет напряжение на аноде;
• какой будет ток через лампу и напряжение на аноде если входное напряжение на сетке равно допустим минус 1 В;
• какой будет ток через лампу и напряжение на аноде если входное напряжение на сетке равно допустим минус 2 В;
• если подать на лампу переменное напряжение амплитудой 1 В, переменное напряжение какой амплитуды будет на аноде?

Вольтамперные характеристики

Для того, чтобы ответить на них, нам нужны вольтамперные характеристики лампы, которые приводятся в справочниках. Будем использовать в нашей схеме древнюю лампу 6С2П. Хоть это уже пальчиковая лампа, о чем говорит индекс П (без цоколя), номер модели 2 свидетельствует о заре распространения триодов. Есть еще одна тонкость – одиночные триоды (индекс С) делали в самом начале, а потом стали производить более выигрышные двойные триоды – две лампы в одной колбе. Двойные триоды получили индекс Н (например, двойной триод 6Н24П был хорошо распространен в свое время). Завершая этот краткий экскурс в обозначения, добавлю что цифра 6 указывает на напряжение питания накала лампы 6,3 В.

Вернемся теперь к характеристикам лампы 6С2П. Открываем справочник и видим следующую картинку – вольтамперные характеристики лампы (ВАХ). Мы сделали только одно дополнение к характеристикам, которое отражает индивидуальную особенность нашей схемы – провели наклонную прямую от точки 10 мА на оси ординат до точки 150 В оси абсцисс. Что это за прямая? Сейчас будем рассказывать.

Показывают зависимость тока лампы от напряжения на аноде при различных значениях управляющих напряжений на сетке

На графике мы видим большое многообразие зависимостей тока через лампу от напряжения на аноде для различных сеточных напряжений. Практически, график содержит теоретическое бесконечное количество вариантов сочетания этих режимов. Но нам нужен только один, определенный режим сочетания Ua (напряжения на аноде), Ia (анодного тока, или тока через лампу) и Uc (напряжения на сетке). Когда мы определим это сочетание и поставим соответствующую точку на графике, эта точка будет называться рабочей точкой.

Рабочая точка

Рабочую точку для данной схемы включения полностью определяет номинал резистора R1.

Почему?

Причина в том, что благодаря резистору R1 рабочая точка не может быть произвольной. Она может находиться только на наклонной прямой, которую мы провели на графике. Практически эта прямая, называемая прямой нагрузки, и есть совокупность всех доступных рабочих точек. Как это получается?

Предположим, что лампа полностью открыта. То есть ее сопротивление равно нулю – внутри кусок провода. Лампа включена в нижнее плечо делителя напряжения, верхнее плечо – резистор R1 сопротивлением 15 кОм. Тогда ток через делитель, или ток лампы полностью определяет этот резистор и этот ток составляет 150 В / 15 кОм = 10 мА. Эту крайнюю рабочую точку мы отметили на оси ординат.

Теперь отметим другую крайнюю рабочую точку – когда лампа полностью заперта. В этом случае нижнее плечо делителя имеет беспонечно высокое сопротивление и напряжение на аноде равно напряжению источника питания – через лампу ток не течет. Эта точка 150 В отмечена на оси абсцисс.

Как бы мы не приоткрывали и не закрывали лампу, сочетание Ua и Ia всегда будет находится на прямой нагрузки. Это сочетание определяет резистор, а не лампа, как ни парадоксально. Лампа определяет только абсолютные значения Ua и Ia в зависимости от напряжения на сетке. Теперь самое время вернуться к сеточным напряжениям.

На графике показано семейство ВАХ для разных сеточных напряжений. Чтобы узнать напряжение на аноде и ток лампы, достаточно показать рабочую точку которая находится на ветке соответствующей определенному напряжению сетки. Так, судя по графику, для напряжения на сетке минус 1 В напряжение на аноде будет около 80 В, ток анода – около 4 мА. Если увеличить напряжение на сетке до минус 2 В, то ток анода снизится до примерно 2,5 мА и напряжение на аноде возрастет до примерно 110 В. Обращаем внимание на то, что напряжение на аноде меняется в противофазе с напряжением на сетке – то есть наша ламповая схема обладает сдвигом фаз 180 градусов.

Отвечаем на вопросы

Теперь мы знаем все об этой схеме. Отвечаем на наши же вопросы:

• лампа запрется совсем при напряжении на сетке начиная с минус 5 В;
• полностью открытая лампа пропускает ток около 50 мА, при этом напряжение на аноде будет чуть более 50 В;
• при подаче на сетку минус 1 В ток через лампу будет около 4 мА, выходное напряжение – 80 В;
• при подаче на сетку минус 2 В ток через лампу будет около 2,5 мА, выходное напряжение – 110 В;

и сразу, без паузы, отвечаем на последний, главный вопрос:

• если подать на лампу переменное напряжение амплитудой 1 В, на аноде будет переменное напряжение амплитуды 110 – 80 = 30 В, что означает что наша схема имеет коэффициент усиления по напряжению 30!

Такие же принципы выбора рабочей точки используются и для транзистора. Однако, до того как мы перейдем к транзисторам, мы не можем пройти мимо важной темы, которая является настоящим гамбитом схемотехники. Это рассказ о том, как один незаметный резистор, включенный куда надо, кардинально меняет физику работы усилителя, или что такое отрицательная обратная связь.