Н. М. Изюмов
Усилитель с трансформаторами является, так сказать, одним крайним полюсом среди низкочастотных схем: он дает наибольшее усиление, и вместе с тем, таит в себе больше всего причин искажения звука. Другим крайним полюсом можно, пожалуй, назвать усилитель на сопротивлениях (реостатный), к рассмотрению которого мы сейчас и обратимся.
В первую очередь — вопрос о конструкции. В схему входит не менее двух ламп, имеющих дело с низкой частотой. Первая лампа точками АВ своей схемы связана с каким-либо детектирующим прибором и получает в контур сетки колебания звуковой частоты (черт. 1). В анодной цепи этой лампы включено чисто-омичеcкое сопротивление Ra, которое ради дешевизны и компактности чаще всего приготовляется из минерала (графит или какое-либо соединение углерода). Величина этого сопротивления бывает обычно порядка 100 000 ом, но иногда достигает и нескольких миллионов ом.
Анодная батарея Ба распределяет свое постоянное напряжение между этим сопротивлением и внутренним сопротивлением лампы, и таким образом в этой схеме напряжение на лампе оказывается уменьшенным.
Когда на сетку приходят колебания напряжения, то в анодной цепи ток начинает изменяться в такт с этими колебаниями, создавая тем самым изменения напряжения на Ra. Вот эти-то изменения мы и стремимся передать на вторую лампу. Число, показывающее во сколько раз эти изменения больше подводимых к сетке, мы называем «степенью усиления» нашей первой лампы. Читатель помнит, что эта «степень усиления» оказывается тем больше, чем больше коэффициент усиления лампы и чем больше сопротивление Ra по сравнению с внутренним сопротивлением лампы. Отсюда понятны стремления довести величины Ra до нескольких миллионов ом; хотя в этом случае конструкция и регулировка окажутся более сложными, но зато усиление будет приближаться к полной величине: «третьего параметра» лампы.
Итак мы получили на анодной нагрузке Ra нашей первой лампы усиленное переменное напряжение. Спрашивается, как же его передать на сетку-нить следующей лампы. Казалось бы, что всего проще соединить анод первой лампы с сеткой второй, приняв во внимание, что цепь накала у них общая (черт. 2); ведь тогда переменное напряжение на Ra само собой стало бы служить и сеточным напряжением второй лампы.
К сожалению, так просто осуществить связь нельзя: между точками С и D (черт. 2), имеется еще некоторое постоянное напряжение от анодной батареи. И это самое постоянное напряжение явилось бы для сетки второй лампы чересчур сильным положительным смещением, а тогда сетка стала бы поглощать на себя электроны, совершенно искажая работу второй лампы.
Чтобы избавиться от лишнего смещения, включают в провод между анодов первой и сеткой второй лампы постоянный конденсатор К (черт. 3), не пропускающий постоянного напряжения. Но отсюда возникает новая трудность: на сетку второй лампы садятся некоторые из пролетающих мимо электронов и скопляются на конденсаторе ввиде отрицательного заряда. Тогда сетка вместо положительного смещения получает отрицательное, и подчас настолько сильное, что пролет электронов сквозь пустоту второй лампы совершенно прекращается. Если бы даже это отрицательное напряжение оказалось, и не чрезмерным, то все-таки оно вредно, так как его величина не остается строго постоянной, находясь в зависимости от степени накала второй лампы, от силы приходящих колебаний, и от изоляции частей схемы.
Для борьбы с этим скоплением электронов сетку соединяют с нитью, при помощи постоянного «сопротивления утечки» Rg; величина этого сопротивления должна быть очень значительной (несколько миллионов ом), так как в противном случае и переменное напряжение стало бы прогонять по нему ток свободно, уменьшая свое воздействие на промежуток сетка-нить.
Такими способами мы избавили вторую лампу от нежелательных смещений; но все-таки это избавление для нас безнаказано не прошло: и конденсатор, и сопротивление утечки вызывают ослабление переменного напряжения на сетку второй лампы. Потеря будет тем сильнее, чем меньше величины емкости конденсатора и сопротивления Rg. Но если емкость и сопротивление взять черезмерно большими, то появится скопление электронов на сетке и вся эта комбинация попросту не выполнит своего назначения. Стало быть с некоторой потерей усиления приходится мириться. Обычно берут емкость разделительного конденсатора около 2 000—5 000 см, а сопротивление утечки в 3-5 мегом.
Анодной нагрузкой для второй лампы служит в нашей схеме телефон, и эта лампа работает в качестве «усилителя мощности». Ее роль ничем не отличается от роли последней лампы в трансформаторном усилителе.
Теперь перейдем к критике.
Вполне понятно, что по степени усиления реостатная схема уступает трансформаторной; в первой мы можем лишь приближаться к величине коэффициента усиления, а во второй мы обычно превосходим эту величину. Совсем иначе обстоит дело с искажениями. В реостатном усилителе нет вредного влияния железа. Не страшны в нем (особенно при усилении звуковой частоты) и резонансные явления, так как отсутствует необходимая для этого самоиндукция. Остается лишь решить вопрос о том, одинаково ли усиливаются все частоты, встречаемые среди приходящих сигналов.
Будем считать, что звуковая частота лежит в пределах от 50 до 10000 периодов в секунду. Величина анодного сопротивления (в этих пределах) практически может считаться независимой от частоты. В этом — громадное преимущество реостатных схем перед усилителями с индуктивной анодной нагрузкой. Но все-таки некоторая зависимость от частоты колебаний, и в них имеется.
Если в усиливаемом сигнале находятся очень низкие тона, то конденсатор К оказывает препятствие для их прохождения на сетку второй лампы. Чем ниже тон, тем труднее ему пройти сквозь конденсатор. Если бы можно было увеличивать беспредельно емкость, то от этого препятствия практически мы бы избавились; однако выше говорилось о вредном скоплении электронов на сетке. Таким образом низкие тона оказываются ослабленными.
Теперь возьмем обратный случай — усиление самых высоких тонов (несколько тысяч периодов в секунду). Через емкость они проходят свободно, — настолько свободно, что для них открываются побочные пути через «паразитные» емкости между ножками ламп и подходящими к этим ножкам проводами (черт. 4). Чем выше тон, то есть, чем чаще соответствующие ему колебания, тем легче уходят они помимо приборов схемы сквозь вредные емкости. Это — также причина возможных искажений звука. В заграничной практике в качестве меры борьбы с этим явлением применяют лампы без цоколей или даже собирают всю схему внутри лампы (многократные лампы Леве).
Попробуем изобразить графически для реостатного усилителя зависимость степени усиления от частоты. Для этого по горизонтальной оси отложены частоты звуковых пределов, а по вертикали — соответствующие им степени усиления (черт. 5). На этом примерном графике мы наглядно увидим, как разделительный конденсатор ослабляет низкие тона, а паразитные емкости ухудшают усиление высших частот. Но из того же графика видно, что в пределах от 200 до 3 000 периодов в секунду, т. е. в пределах обычных звуковых частот, степень усиления почти одинакова. Значит, зависимость от частоты не очень страшна для реостатной схемы, и мы можем надеяться на чистую передачу звука.
Благодаря этому усилители на сопротивлениях находят себв применение там, где требуется в первую очередь чистое воспроизведение музыки или речи.
Этот тип усилителя является по своим качествам промежуточным между трансформаторными и реостатными и обладает недостатками тех и других, но зато дешевле их и проще в обращении. Здесь в качестве анодной нагрузки служит катушка (дроссель), снабженная железным сердечником. Связь с сеткой второй лампы осуществляется через конденсатор с утечкой, как и в схеме с сопротивлениями. Таким образом дроссельный двухламповый усилитель должен получить вид, представленный на черт. 6.
В этой схеме усиление не превосходит теоретического коэффициента. Зависимость индуктивного сопротивления от частоты остается. Зато не так опасны паразитные емкости в цоколях ламп и кроме того на первую лампу ложится полностью постоянное напряжение анодной батареи.
1) см. "P. В." № 17