Сиверс и Медведев
Появление экранированных ламп в технике приема означает крупный шаг вперед. Помимо улучшения эффекта применявшихся ранее методов усиления высокой частоты в диапазоне радиовещания и усиления промежуточной частоты в супергетеродинах, позволяющего уменьшить число ламп при одинаковой силе приема и большей остроте настройки или увеличить силу и дальность приема при равном числе каскадов, они позволяют применять совершенно новые способы усиления.
Так, с лампами С-44 можно усиливать на высокой частоте короткие волны без применения регенерации или применять один каскад усиления высокой частоты со следующей регенеративной детекторной лампой, что открывает возможность уверенного приема дальних коротковолновых станций. Эти лампы открывают возможности применения новых методов и схем приема, которые были невозможны до их появления.
Таким образом перед радиоработниками и радиолюбителями с появлением экранированных ламп открываются новые пути как в области использования старых схем, так и в комбинировании новых.
Чем же объясняются преимущества экранированных ламп? Чтобы уяснить себе это, рассмотрим вопрос о том, какие величины в лампах влияют на усиление и как изменить конструкцию ламп, чтобы получить максимально возможное усиление.
Как известно, основными величинами, характеризующими работу лампы, являются: крутизна характеристики — S; коэффициент усиления — К и внутреннее сопротивление лампы переменному току Ri.
Какие же конструктивные величины лампы определяют S, К и Ri? Крутизна зависит от длины нити накала и расстояния сетки от нити. Чем длиннее нить и чем ближе сетка к нити, тем больше крутизна, так как чем длиннее нить, тем больше поверхность, с которой снимаются электроны напряжением сетки; чем ближе сетка, тем сильнее действует потенциал ее на электроны, выходящие из нити. Коэффициент усиления тем больше, чем гуще сетка и чем больше соотношение между расстояниями анод—нить и сетка—нить, так как чем гуще сетка, тем меньше действие электрического поля анода на электроны, находящиеся возле нити (нить как бы защищена сеткой от электрического поля анода) и чем дальше анод от нити, тем сильнее действие электрического поля сетки на нить по сравнению с действием электрического поля анода. Внутреннее сопротивление лампы связано с величинами крутизны и коэффициента усиления уравнением SRi = К; таким образом с ростом К при постоянном S внутреннее сопротивление растет; при росте же S и постоянном К сопротивление лампы падает. Усиление, которое лампа дает при работе в каком-либо усилителе, тем больше, чем больше К и чем больше сопротивление внешней нагрузки, включенной в анодную цепь лампы, по сравнению с внутренним сопротивлением лампы.
Однако величина сопротивления внешней нагрузки ограничивается его конструкцией: при трансформаторах с железом — размерами их, при настроенных контурах высокой частоты — величинами затухания и самоиндукции, которые могут быть получены при данной частоте усиления, при сопротивлениях — необходимостью увеличения напряжения анодных батарей, которое требуется для неискаженного усиления.
Поэтому для получения большого усиления от лампы нужно, чтобы она имела большой коэффициент усиления и возможно меньшее сопротивление.
Увеличения коэффициента усиления трехэлектродной лампы (например «микро») можно достигнуть, сделав сетку более густой или удалив анод от сетки и нити (оставив прежним расстояние сетка—нить).
Однако с увеличением густоты сетки растет сеточный ток, что вызывает в свою очередь уменьшение усиления и в общем выигрыша не дает. Удаление же анода вызывает увеличение размеров ламп без большого выигрыша в коэффициенте усиления. Вследствие этих, а также и других причин изменением конструкции (трехэлектродных) ламп нельзя добиться большего роста коэффициента усиления.
Весьма действительным способом явилось введение второй сетки между анодом и обычной сеткой. При этом приходящая ЭДС подается на участок нить-обычная сетка (которая называется при этом управляющей); на добавочную сетку (анодно-защитная сетка) подается положительный потенциал, несколько меньший потенциала анода. Коэффициент усиления растет при введении второй сетки во много раз.
Как было показано раньше, коэффициент усиления лампы тем больше, чем больше нить защищена от воздействия потенциала анода. При введении второй сетки защита получается двойная, и коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления двух ламп, имеющих сетки, соответствующие управляющей и защитной сеткам двухсетчатой лампы.
Анодную сетку можно делать густой, так как ток в ее цепи не влияет на усиление, даваемое лампой.
Таким образом, сделав управляющую сетку такой же, как в обычных трехэлектродных лампах, можно получить усиление вследствие защитного действия анодной сетки равным 30—50 и общий коэффициент усиления лампы довести до 300—500.
Но при этом использование столь высокого коэффициента усиления ограничивается не только большим сопротивлением такой лампы, растущим пропорционально росту коэффициента усиления, но и главным образом неустойчивостью усилителя с такими лампами.
Эта неустойчивость, проявляющаяся в склонности к генерации, происходит вследствие обратной связи между анодной и сеточной цепями, через емкость между ними. С увеличением усиления, получаемого от усилителя, склонность к генерации также растет, пока при некоторой величине усиления усилитель не начнет генерировать, так что для устранения генерации приходится вновь ослаблять усиление.
Емкость между цепями ламп с анодной сеткой не меньше, чем при обычных трехэлектродных лампах, и использование большого коэффициента усиления таких ламп требует уменьшения этой емкости.
Этого можно достичь следующим образом. Защитная сетка заканчивается наверху колпачком, а внизу тарелкой, перегораживающей колбу лампы. Таким образом колба лампы перегораживается на 2 части защитной сеткой. Анод лампы выводится не вниз, через ножку в общем цоколе с выводами остальных электродов, а через верхнюю часть колбы. Вследствие этого в лампе достигается полное экранирование анода от управляющей сетки, и если это экранирование дополняется экраном из медных листов, отделяющих анодную цепь (провода) от сеточной цепи, то емкость между цепями сильно уменьшается. Это дает возможность получать большие усиления от лампы с анодной сеткой, не опасаясь возникновения генерации.
Такие лампы называются лампами с экранированными анодами или просто экранированными лампами.
Важно отметить, что эффект, получаемый от этих ламп, тем больше, чем лучше заэкранированы анодные и сеточные цепи отдельных каскадов усилителя друг от друга.
Для иллюстрации экранирующего действия на рис. 1 приведено распределение емкостей в обычной лампе с анодной сеткой, а на рис. 2 схематически изображена экранированная лампа и ее включение в схему приемника.
Несмотря на малую емкость сетка-анод и высокий коэффициент усиления, первоначальные экранированные лампы (предложенные впервые в Америке и затем получившие широкое распространение в Америке и Англии) имеют ограниченную область применения, из-за большого внутреннего сопротивления таких ламп.
Действительно, при усилении низкой частоты на трансформаторах с железом, дросселях или сопротивлениях нужно иметь сопротивление внешней нагрузки переменному току в несколько раз большее внутреннего сопротивления лампы, что затруднительно осуществить при столь больших внутренних сопротивлениях, какие имеют заграничные экранированные лампы.
Они наиболее пригодны для резонансного усиления высокой частоты, в каскадах, предшествующих детекторной лампе, и для резонансного усиления промежуточной частоты в супергетеродинах.
Однако и здесь применение их ограничивается высоким сопротивлением ламп и оставшейся внутриэлектродной емкостью сетка-анод. При сравнительно небольшой частоте (длинах волн так наз. радиовещательного диапазона) самоиндукция контура может быть взята достаточно большой, что в соединении с малым сопротивлением, которое может быть получено на этих волнах, даст большие величины действующего сопротивления, позволяющие использовать большие коэффициенты усиления экранированных ламп с высоким внутренним сопротивлением.
При коротких волнах картина меняется. Самоиндукция мала, а потери в контурах велики. Действующие сопротивления контуров малы и экранированные лампы с большим внутренним сопротивлением дают ничтожное усиление.
Поэтому Центральная радиолаборатория треста «Электросвязь» в отношении лампы, предназначенной для приема, пошла по другому пути. Решено было изготовить экранированные лампы с несколько меньшим коэффициентом усиления и значительно меньшим внутренним сопротивлением (главное понижение сопротивления достигалось увеличением крутизны с удлинением нити).
В то время как первые американские экранированные лампы имеют параметры (лампы СХ—322) Ri = 1 000 000 ом; К = 350; S = 0,35 MA/v, лампы ЭТЗСТ имеют параметры Ri = 100 000 ом; К = 150, S = 1,5 MA/v. Характеристики экранированной лампы С—44 приведены на рис. 4. Как видно из этого сравнения, значительное уменьшение Ri достигается при сравнительно небольшом уменьшении К. Этим область применения ламп расширяется и захватывает резонансное усиление на коротких волнах.
Таким образом эти лампы (под названием С-44) могут с успехом применяться при резонансном усилении на любой длине волны от 12 до 1 500 метров и выше.
Единственным ограничением для величины усиления, которое может быть получено от одной ступени усиления, без возникновения генерации, является междуэлектродная емкость анод-сетка.
Усиление одной ступени при коротких волнах, которое может быть получено с лампой С-44 (при резонансном усилении и непосредственном включении контура в анодную цепь и хороших контурах с малыми потерями) равно 3—5 при волне 12—15 метров и достигает уже 10—15 при 50—75 м. Эти величины относятся к случаю последовательного включения двух каскадов; при наличии одного каскада усиление может быть получено соответственно 5—8, и 10—20 на ступень.
В радиовещательном диапазоне мы можем ожидать усиления на каскад порядка 35 при волне в 200 м и 45 при волне 1 500 м при включении 2-х каскадов и соответственно 50 в 60 при включении одного каскада. При этом может быть применена трансформаторная связь контура с анодной цепью, причем, так как предел увеличению усиления ставится емкостью сетка-анод, а не величиной действующего сопротивления контура и параметрами лампы, то одинаковый эффект можно получить с хорошими контурами и слабой связью контура с анодной цепью и с сравнительно плохими контурами с сильной связью.
Это дает возможность получить предельное устойчивое усиление с сравнительно плохими контурами, что невозможно при экранированных лампах большого сопротивления.
Все эти положения были проверены экспериментально.
Экспериментальная проверка величины предельного устойчивого усиления, которое может быть получено от одной ступени усиления, была произведена в Отделе проф. аппаратуры ЦЛР.
Для этого был использован опытный приемник ПЭ-1, схема которого дана на рис. 3, а внешний вид — на фотографиях.
Как видно из рис. 3, он содержит 2 каскада резонансного усиления высокой частоты с трансформаторной связью анодной цепи первой лампы с контуром второй. Катушки были сделаны сменными, что позволило произвести испытание ламп на всем диапазоне радиовещания.
Каскады высокой частоты заключены в сплошные замкнутые экраны из медных тонких листов, полностью экранирующие цепь анода от цепи сетки лампы, причем лампы установлены так, что экранирующая сетка служит как бы продолжением внешнего экрана.
Таким образом паразитные связи через емкость проводов были полностью исключены, и единственной причиной обратной связи могла быть емкость сетка-анод внутри лампы.
Для устранения обратной связи через общие батареи питания во всех цепях питания включены катушки самоиндукции и цепи зашунтированы конденсаторами по 2 мф, причем фильтры заключены в экраны (отдельные для каждого каскада), примыкающие снизу к экранам самих каскадов высокой частоты. Фильтры с их экранами показаны на схеме (рис. 3).
Таким образом токи высокой частоты замыкаются через конденсаторы фильтров, не выходя за экраны.
При таких условиях можно было быть уверенным, что усиление, получаемое от ступени, есть действительно предельное для данного типа ламп и ограничено лишь обратной связью через емкость анод-сетка внутри лампы, а не какими-либо паразитными связями. Усиление проверялось как для случая включения лишь одного каскада, так и при последовательном включении 2-х каскадов усиления в диапазоне волн от 200 до 1 500 метров. Контура состояли из переменных конденсаторов с максимальной емкостью в 450 см и катушек самоиндукции, намотанных из лицендрата, цилиндрических однослойных для диапазона в 200—600 метров и галетных для 600—1 500 метров. Анодные катушки помещались на общем эбонитовом каркасе с катушками контура, что позволяло, изменяя связь между ними, менять расстояние между ними. Затухание контуров очень мало — порядка 0,03 для диапазона 200—500 метров и 0,05 для более длинных волн. Поэтому действующее сопротивление контуров очень велико.
Задав связь в 45%, мы должны были взять очень небольшое число витков в анодной цепи, чтобы усилитель не генерировал. Постепенно уменьшая число витков катушки в анодной цепи и проверяя каждый раз устойчивость усиления (напряжение на сетку первой лампы подавалось от местного гетеродина высокой частоты), мы могли получить предел устойчивости при максимальном усилении. Усиление определялось измерением напряжения высокой частоты на сетке лампы и на зажимах конденсатора контура анодной цепи одновременно. Отношение этих напряжений и давало усиление каскада.
Затем усилитель проверялся на действительную работу, для испытания остроты настройки и чистоты работы. Как и следовало ожидать, и в том, и в другом отношении результаты были превосходны. Полученные величины усиления для диапазона в 200—500 метров были 30—35 на каскад при последовательном включении 2-х каскадов и 45—50 при одном каскаде. Действительно, как было указано выше, предельное устойчивое усиление, которое могло быть получено от одного каскада, меньше на включении двух каскадов, чем при одном каскаде. Для диапазона в 600—1 500 метров соответственно получены величины 40—45 и 55—60.
Эти усиления вполне совпадают с вычисленными теоретически, исходя из вероятной емкости между сеткой и анодом в 0,2 см.
Очевидно, что при ослаблении экранировки и неполной фильтрации питания (например при фильтрах из одного лишь конденсатора без дросселя и экрана в виде перегородки между каскадами, а не сплошной коробки, как в ПЭ-1) предельные усиления будут несколько меньше.
Эти опыты дали возможность утверждать, что 2 каскада усиления с лампами С-44 дадут усиление (в радиовещательном диапазоне) несколько большее, чем 3 лампы «Микро», даже при ослабленной экранировке и неполных фильтрах, давая значительно большую остроту настройки при контурах одинакового качества.
Как было указало выше, для получения предельного усиления нет надобности применять исключительно хорошие контура (как в ПЭ-1, где они применялись только из-за желания получить предельную селективность), его можно получить и с худшими контурами, увеличив соответственно число витков катушки в анодной цепи.
Напряжения на аноде надо брать +160 вольт, на защитной сетке — 60—80 вольт, для получения предельного усиления, и смещение на управляющую сетку — 1,5 вольт для чистой работы.
Перейдем к использованию экранированных ламп в радиолюбительских приемниках, разработанных в УРЛ. Трехламповый приемник типа 1-V-1 на лампах с экранированными сетками собран таким образом.
Первая лампа с э. с. использована в каскаде резонансного усиления высокой частоты с настроенным анодом, вторая лампа трехэлектродная типа «Микро» — в детекторном каскаде. От анодной цепи этой лампы на настроенный контур первой лампы предусмотрела обратная связь. Третья лампа также с э. с. используется в каскаде трансформаторного усиления низкой частоты и является мощной оконечной лампой. Лампы, применяемые в оконечной ступени, имеют следующие данные: К = 50—70, S = 1,6—1,7 ма/v, Ri = 200 000—100 000 ом; при мощности, рассеиваемой на аноде при анодном напряжении в 160 в., около 3 ватт.
Для более полного использования этой лампы, в анодную цепь ее включается специальный понижающий трансформатор, к понижающей обмотке которого и присоединяется репродуктор. По даваемому усилению, один каскад на лампе с э. с. со специальным выходным трансформатором дает эффект двухлампового усилителя на трансформаторе на лампах «микро».
Можно включать репродуктор и непосредственно в анодную цепь лампы, но это дает хотя и значительно больший усилительный эффект, чем при любой другой трехэлектродной лампе, применяемой в оконечной ступени, но все же меньше, чем при специальном переходном трансформаторе. Приемник на лампах с э. с., собранный по описанной схеме, сравнивался на прием дальних станций с 4-ламповым приемником типа БЧ-Н на 3-х лампах типа «Микро» и одной оконечной типа УО-3, причем оказалось, что как по селективности, так и по чувствительности новый приемник значительно превосходит приемник БЧ-Н. Чистота передачи на новом приемнике с лампами с э. с. также значительно больше при соответственно большей громкости, что объясняется применением специальной лампы и лишь одного каскада усиления низкой частоты.
Следующей интересной разработкой является такой же трехламповый приемник 1-V-1, но полностью питаемый от сети переменного тока, т. е. аноды ламп питаются от кенотронного выпрямителя, нить же накала ламп непосредственно переменным током. В этом приемнике в первом и последнем каскаде также применена лампа с э. с. с приведенными ранее параметрами, но с нитью накала, работающей при весьма малых напряжениях накала; JН этих ламп = 1,5 амп. VН — 1—1,1 V. В детекторном каскаде этого приемника применена лампа типа ТО-4, имеющая JН = 1,1 амп. и VН — 1,0—1,1 V (обычная трехэлектродная лампа). Для устранения фона переменного тока и искажений, даваемых детекторной лампой из-за изменений сеточного тока, в приемнике применено анодное детектирование, устраняющее искажения и фон, даваемые детекторной лампой. Этот приемник с питанием от сети переменного тока по чувствительности, селективности и чистоте передачи не уступает приемнику с питанием постоянным током.
Кроме описанных двух приемников, разработан также приемник 2-V-1, в каскадах высокой и низкой частоты которого применены лампы с э. с., а в детекторном каскаде — лампа «Микро». Чувствительность данного приемника очень велика, позволяя на рамку вести прием дальних станций (как на супергетеродин).