Мы выяснили, в чем заключаются преимущества усилителя на трансформаторах по сравнению с усилителем на сопротивлениях. Однако, как уже было указано, усилитель на трансформаторах обладает не только достоинствами, но и недостатками. Сейчас мы разберем подробнее, в чем заключаются его недостатки, и посмотрим, в какой мере и какими методами эти недостатки могут быть устранены.
При рассмотрении схемы усилителя на трансформаторах мы уже указывали, что обмотки трансформатора обладают не только самоиндукцией, но также и некоторой собственной емкостью. Эта собственная емкость распределена по обмоткам, но для простоты мы будем предполагать, что она прямо присоединена к концам обмоток трансформатора. Таким образом, вместо схемы, которую мы рассматривали в 1-й части занятия, мы получим схему, приведенную на рис. 1. Емкости C1 и С2 — это те «паразитные» емкости, которыми обладают обмотки трансформатора.
Влияние этих емкостей очень сильно сказывается на условиях работы трансформатора. Если бы обмотки трансформатора обладали только одной самоиндукцией, то мы могли бы выбрать эту самоиндукцию настолько большой, что даже для самых низких частот, подлежащих усилению, эта самоиндукция составляла бы достаточно большое сопротивление, и поэтому усиление на всех частотах получалось бы примерно одинаковым. При наличии же паразитной емкости общее сопротивление обмотки переменному току той или иной частоты зависит не только от величины самоиндукции, но и от величины емкости. Картина получается гораздо более сложной, чем в случае одной самоиндукции. Так, например, для более высоких частот сопротивление самоиндукции возрастает, но зато уменьшается сопротивление включенной параллельно емкости. В результате общее сопротивление трансформатора оказывается для высоких частот меньшим, чем для низких. Практически это приводит к тому, что трансформатор никогда не обладает одинаковым сопротивлением для всех звуковых частот и, следовательно, не дает равномерного усиления. Так, например, если выбирать самоиндукцию трансформатора так, чтобы уже для самых низких частот (50 периодов в секунду) он обладал достаточным сопротивлением, то для этого необходимо делать самоиндукцию очень большой, т. е. брать обмотку с очень большим числом витков. Такая обмотка будет обладать очень большой собственной емкостью и значит будет представлять малое сопротивление для самых высоких частот.
Таким образом свойство усилителя, именно его частотная характеристика, будет сильно зависеть от типа и конструкции трансформаторов, примененных в усилителе. При одном типе трансформатора мы можем получить более значительное усиление на низких частотах и уменьшение усиления на более высоких, т. е. частотную характеристику, изображенную на рис. 2. При другом типе трансформатора частотная характеристика, может иметь обратный ход (рис. 3), т. е. сильнее будут усиливаться высокие частоты и слабее низкие.
Кроме двух рассмотренных нами типов частотной характеристики часто встречается и третий тип характеристики, изображенный на рис. 4. Кривая, приведенная на рис. 4, напоминает хорошо всем известную кривую резонанса, и действительно — наличие такой частотной характеристики указывает на то, что в цепи усилителя имеет место явление резонанса. Причина этого явления заключается в том, что самоиндукция обмотки вместе с емкостью ее представляет некоторый колебательный контур, обладающий определенной собственной частотой. Именно для этой частоты усилитель будет давать наибольшее усиление. Если собственная частота трансформатора лежит в пределах звуковых частот, то мы и получим частотную характеристику, изображенную на рис. 4.
Явления разонанса в трансформаторе низкой частоты могут быть гораздо более сложного характера, чем только что рассмотренные. Собственной частотой может обладать не только первичная обмотка трансформатора, но и вторичная его обмотка. Могут также появляться резонансные частоты вследствие наличия рассеяния в трансформаторе. Все это, конечно, очень усложняет картину и поэтому подробно рассматривать ее мы не будем.
Частотные характеристики, которые мы рассмотрели, говорят о том, что усилитель вносит искажения в передачу. В зависимости от характера частотной характеристики и характер вносимых усилителем искажений в разных случаях будет различным. В случае частотной характеристики изображенный на рис. 2 усилитель будет больше усиливать низкие частоты, чем высокие, и, следовательно, понижать тембр передачи. В случае характеристики, приведенной на рис. 3, мы получим, наоборот, повышение тембра передачи. И, наконец, в случае резонансных явлений (рис. 4) искажения будут сводиться к тому, что резонансные частоты усилителем будут воспроизводиться особенно громко и на этих частотах будут получаться выкрики. Все эти три типа искажений могут заметно понизить художественность передачи. Однако повышение или понижение тембра может быть до некоторой степени сглажено или свойствами репродуктора (например понижение тембра может быть сглажено репродуктором, лучше передающим высокие частоты) или присоединением конденсатора параллельно репродуктору. Этот конденсатор, ослабляя высокие частоты, сглаживает повышение тембра. Что же касается третьего типа искажения вследствие резонанса, то борьба с ним гораздо труднее. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к трансформатору, является отсутствие в нем резонансных свойств или во всяком случае очень слабо выраженные резонансные свойства.
Конечно, идеальным был бы такой трансформатор, который обладает прямолинейной частотной характеристикой. Но построить такой трансформатор довольно трудно, и большинство встречающихся в радиолюбительской практике трансформаторов этому требованию не удовлетворяют.
Так как идеальными трансформаторами радиолюбитель обычно не располагает, то вопрос о выборе трансформатора сводится к тому, чтобы подобрать трансформаторы, дающие возможно меньшие искажения, и кроме того, попытаться эти искажения устранить. Ниже мы приведем некоторые указания относительно способов устранения искажений. Но даже не применяя каких-либо специальных мер против искажений, можно, особенно в случаях многолампового усилителя, так выбрать трансформаторы низкой частоты, чтобы значительно уменьшить даваемые усилителем искажения. Эти основные правила выбора трансформатора сводятся к следующему.
Прежде всего следует остановиться на том или ином коэффициенте трансформации для каждого каскада усиления. Как мы уже указывали в свое время, для получения неискаженного усиления нужно работать на прямолинейной части характеристики лампы. Поэтому коэффициент трансформации надо выбирать таким образом, чтобы напряжения на вторичной обмотке трансформатора не превышали тех пределов, в которых лежит прямолинейная часть характеристики лампы. Ясно, что чем больше будет напряжение на первичной обмотке трансфюрматора, т. е. чем сильнее будут сигналы, тем меньше должен быть коэффициент трансформации для того, чтобы указанное выше условие было соблюдено. Практически это сводится к тому, что в первом каскаде усиления (на входе усилителя) применяются трансформаторы с большим коэфхфициентом трансформации — ¼, ⅕ или даже ⅙. В следующих каскадах, когда сигналы уже усилены, применять трансформаторы с таким высоким коэффициентом трансформации нецелесообразно, и обычно в последующих каскадах применяются трансформаторы с коэффициентом трансформации ½ или ⅓, а в некоторых случаях даже ¹/₁. (Трансформатор ¹/₁ очевидно не повышает напряжений и, следовательно, служит только для передачи на сетку последующей лампы тех напряжений, которые выделяются предыдущей лампой на зажимах первичной обмотки.)
Помимо правильного выбора коэффициента трансформации при выборе типа трансформатора, необходимо иметь в виду также следующие соображения. Если мы будем применять во всех каскадах однотипные трансформаторы с одним и тем же числом витков в первичной обмотке (различающиеся только числом витков во вторичной обмотке), то легко может случиться, что резонансные частоты первичных обмоток всех трансформаторов будут одни и те же. Это значит, что резонансные явления будут усиливаться от каскада к каскаду, и резонансные искажения получатся чрезвычайно сильные. Чтобы избежать этого, следует выбирать такие трансформаторы, которые заведомо обладают разными резонансными частотами, т. е. применять трансформаторы с разным числом витков в первичной обмотке.
Если резонансные частоты разных трансформаторов будут лежать в разных областях, то благодаря тому, что кривая резонанса трансформатора всегда бывает тупая (в результате больших собственных сопротивлений), мы получим в результате одинаковое или примерно одинаковое усиление всех частот, так как каждый трансформатор будет больше усиливать одну из областей частот. Таким образом без специальных приемов для устранения резонансных свойств трансформатора можно значительно ослабить резонансные искажения в усилителе низкой частоты.
Однако в целом ряде случаев, когда желательно получить достаточно художественную передачу, уже нельзя ограничиваться одним только выбором подходящих типов трансформаторов. Приходится принимать специальные меры не только для устранения резонансных искажений, но и для устранения всех других типов искажений, которые могут появиться в усилителе. С этой целью обычно шунтируют сопротивлениями подходящей величины вторичные обмотки трансформатора. Роль этих шунтов (R1 и R2 на рис. 5) сводится к следующему. Благодаря наличию напряжений на вторичной обмотке трансформатора по шунту течет ток, и трансформатор работает с нагрузкой (при отсутствии шунта и отрицательном смещении на сетке тока во вторичной обмотке трансформатора нет, и, следовательно, в этом случае трансформатор работает без нагрузки или «вхолостую»). По своим свойствам трансформатор, работающий на нагрузку, резко отличается от трансформатора, работающего вхолостую. Мы не будем подробно говорить об этих различиях и укажем только важнейшие для нас результаты. Трансформатор, работающий с нагрузкой, обладает гораздо более слабо выраженными резонансными свойствами, чем трансформатор, работающий вхолостую. Но, с другой стороны, наличие шунта значительно понижает напряжение, получающееся на зажимах вторичной обмотки. Таким образом включение шунтов приводит к уменьшению резонансных искажений, но вместе с тем и к уменьшению усиления, даваемого усилителем. Для того чтобы, с одной стороны, ослабить резонансные искажения, а с другой — не слишком уменьшить усиление, нужно правильно подобрать величину сопротивления (ясно, что чем меньше будет сопротивление шунта, тем меньше будет и усиление). В обычных типах усилителей, встречающихся в радиолюбительской практике, эти шунты имеют величину от нескольких десятков тысяч до нескольких сот тысяч ом.
Помимо устранения резонансных свойств шунты во вторичных обмотках ослабляют возможные искажения и иного типа, именно искажения вследствие наличия тока в цепи сетки. Когда на сетку лампы подается положительное напряжение, во вторичной обмотке появляется ток. В полупериод отрицательного напряжения на сетке ток во вторичной обмотке отсутствует. Таким образом трансформатор работает полпериода вхолостую, а полпериода с нагрузкой. Так как в том и в другом случае свойства трансформатора различны, то и усиление положительных и отрицательных полупериодов тока получается неодинаковым. В результате возникают новые искажения. Если же вторичная обмотка зашунтирована сопротивлением, то по нему течет ток как в течение положительных, так и в течение отрицательных полупериодов, т. е. трансформатор работает все время с нагрузкой. Поэтому усиление хотя и получается меньшее, чем без шунтов, но зато оба полупериода усиливаются в одинаковой степени и искажения отсутствуют.
Вместо шунтов во вторичных обмотках трансформаторов иногда применяется другой способ ослабления резонансных свойств трансформаторов и устранения искажений, появляющихся вследствие неодинакового усиления двух полупериодов усиливаемых колебаний. Это способ так называемых «нагрузочных обмоток». На сердечник трансформатора помимо двух нормальных обмоток (первичной и вторичной) наматывается дополнительная обмотка (рис. 6) в несколько десятков витков более толстой, чем в основных обмотках проволоки (диам. от 0,1 до 0,5 мм). Эта обмотка замыкается или накоротко или на небольшое сопротивление. Очевидно, что в этой замкнутой обмотке будет течь ток, и, следовательно, трансформатор будет работать с нагрузкой. Таким образом, нагрузочная обмотка действует так же, как и шунт во вторичной обмотке. Величина нагрузки, вносимой нагрузочной обмоткой, определяется очевидно силой тока в этой обмотке, т. е. в конечном счете, с одной стороны, числом витков нагрузочной обмотки (отчего зависит напряжение на концах обмотки), и с другой — общим сопротивлением самой обмотки и величиной внешнего сопротивления. Если нагрузочная обмотка замкнута накоротко, то напряжение, даваемое ею, и ее сопротивление примерно одинаково возрастают при увеличении числа витков обмотки, и, следовательно, сила тока в нагрузочной обмотке почти не изменяется при изменении числа витков в ней. Но действие нагрузочной обмотки при этом все же усиливается, так как при той же самой силе тока и большем числе витков магнитное поле в сердечнике, создаваемое нагрузочной обмоткой, будет сильнее и влияние нагрузочной обмотки также будет сильнее. Таким образом подбор величины нагрузочной обмотки сводится главным образом к подбору числа ее витков. Кроме того действие нагрузочной обмотки будет зависеть от диаметра ее, и поэтому подбор нагрузочной обмотки можно производить надлежащим выбором диаметра применяемой для обмотки проволоки.
К числу схем усиления низкой частоты на трансформаторах относятся так называемые схемы «пуш-пулл», получающие все более и более широкое распространение в практике. Нормальная схема одного каскада пуш-пулл приведена на рис. 7. Каждый каскад схемы пуш-пулл состоит из двух ламg (Л1, и Л2), включенных как бы навстречу друг другу. Напряжение к сеткам ламп подводится от концов вторичной обмотки входного трансформатора Тр1. Так как на концах всякой обмотки напряжения в каждый момент имеют противоположные знаки, то, значит, к сеткам ламп подводятся напряжения противоположных знаков. Кроме того, так как средняя точка вторичной обмотки соединена с нитями ламп, то очевидно, что на каждую сетку подается половина полного напряжения, получающегося на зажимах вторичной обмотки трансформатора Тр1.
Первичная обмотка трансформатора Тр2 устроена так же, как вторичная трансформатора Тр1, т. е. имеет среднюю точку, к которой подводится анодное напряжение. Очевидно, что анодные токи обеих ламп будут протекать (каждый по соответствующей половине обмотки) в противоположные стороны и на сердечник трансформатора будет действовать магнитный поток, создаваемый разностью обоих анодных токов.
Так как к сеткам ламп подводятся противоположные напряжения, то в то время, когда сила анодного тока одной лампы возрастает, в другой лампе она уменьшается. Очевидно, что если один анодный ток уменьшается, а другой увеличивается, то разность их будет возрастать. Вместе о тем будет возрастать и магнитный поток в сердечнике трансформатора Тр2, а следовательно и напряжение на зажимах вторичной обмотки этого трансформатора, т. е. на выходе усилителя. Пока на сетки ламп не действует переменное напряжение, оба анодных тока равны, и разность их, а следовательно, и магнитный поток равны нулю. Когда на сетки ламп действует переменное напряжение, анодные токи ламп начинают изменяться в разные стороны и появляется напряжение во вторичной обмотке выходного трансформатора Тр2.
Таков принцип действия схемы «пуш-пулл». «Пуш-пулл» по-английски значит «тяни-толкай». После всего сказанного выше ясно, нечему эта схема получила такое название.
Схема пуш-пулл но сравнению с обычными схемами обладает целым рядом преимуществ, подробно останавливаться на которых мы не можем из-за недостатка времени. Укажем только вкратце на важнейшие из этих преимуществ. Схема пуш-пулл облегчает борьбу с различными типами искажений и дает таким образом возможность получения художественной передачи. Вместе с тем схема пуш-пулл позволяет получить экономию в расходовании анодного тока и уменьшить нагрузку на анодах ламп.
Все эти преимущества, конечно, особенно существенны для мощных усилителей и поэтому схемы пуш-пулл применяются главным образом для мощного усиления, где они занимают преобладающее положение.
Демонстрация роли шунтов и нагрузочных обмоток. Измерение при помощи катодного вольтметра усиления, даваемого усилителем низкой частоты.