Инж. В. М. ЛЕБЕДЕВ.
В предыдущей книжке журнала нами вкратце были рассмотрены общие принципы работы громкоговорящего устройства, а также подробно изучены свойства различных микрофонов и приспособлений, их заменяющих. Перейдем теперь к особенностям, представляемым следующим звеном нашей схемы, трансформатору микрофонной цепи.
Между микрофоном (или аналогичным ему прибором) и первым каскадом промежуточного усилителя необходимо включение приспособления для подведения энергии микрофона к сетке первой лампы промежуточного усилителя в той форме, которая задается, так сказать, природой современной усилительной лампы. (См. статью инж. Зилитинкевича в № 2 "Друг Радио").
Наиболее рациональное усилительное устройство должно работать в той схеме, при которой ток сетки совершенно отсутствует, другими словами — сопротивление цепи сетки близко к бесконечно большой величине.
Совершенно понятно, что замкнуть цепь микрофона через такое сопротивление не представляется возможным, да и, с другой стороны, колебания напряжения на зажимах микрофона даже при замкнутой цепи оказываются незначительными. Все это вызывает необходимость трансформировать тем или иным способом энергию микрофона с тем, чтобы подвести к сетке возможно большие колебания потенциала.
Простейшим средством для этой цели является включение микрофона в первичную обмотку особого трансформатора, вторичная обмотка которого, в свою очередь, включается на сетку и один из зажимов нити накала.
Коэффициент трансформации в этом случае необходимо сделать максимальным для того, чтобы всю энергию микрофона, так сказать, перевести в возможно высокое напряжение при возможно малом токе.
В подобных микрофонных устройствах этот коэффициент доводят до 20—30, т. е. отношение числа витков первичной обмотки микрофонного трансформатора к числу витков вторичной делают равным 20—30.
Существует, кроме того, другое соображение, подсказывающее необходимость введения между микрофоном и первой усилительной лампой какого-либо промежуточного передаточного звена.
Дело в том, что, по общим законам электротехники, при наличии источника энергии (генератора и органа, расходующего эту энергию (приемника), необходимо, для получения возможно большей отдачи (коэффициента полезного действия), чтобы действующее полное внутреннее сопротивление генератора было близко к таковому же приемника (или, что все равно, наоборот).
Так как сопротивление микрофона, который в нашем случае является генератором, вообще говоря, незначительно (оно измеряется десятками, много сотнями омов), а, с другой стороны, сопротивление цепи сетки лампы (приемная цепь в нашем случае), как это было выяснено выше, оказывается весьма большим (приближается к бесконечно большому), то существование промежуточного звена является неизбежностью при желании дать этому устройству более или менее высокий коэффициент полезного действия.
Включая трансформатор между микрофоном и первой лампой, мы легко выходим из указанных выше затруднений,
Первичная обмотка этого трансформатора является приемником энергии микрофона, и ее действующее сопротивление должно быть близко к сопротивлению микрофона, что всегда легко выполнимо.
Несколько труднее выполняется требование равенства внутреннего и внешнего сопротивлений для вторичной обмотки трансформатора, являющейся генератором для цепи сетки. С достаточным приближением это требование удовлетворяется при изготовлении вторичной обмотки из очень большого числа витков.
В этом случае действующее сопротивление этой обмотки будет очень велико, так как мы уже имеем дело здесь с явлениями переменного тока, при которых действующее сопротивление зависит не только от обычного сопротивления прохождению электрического тока (так называемого "омического" сопротивления), но и от коэффициента самоиндукции и частоты.
При достаточно большой частоте звуков (а значит и "разговорного" тока) и значительной величине коэффициента самоиндукции вторичной обмотки, состоящей из большого числа витков, мы можем получить очень большие значения действующего сопротивления этой обмотки, что и даст удовлетворительное решение данной задачи.
Но, увеличивая в большой степени число витков вторичной обмотки микрофонного трансформатора, мы, выйдя из одного затруднительного положения, наталкиваемся на ряд других затруднений.
При большом числе витков (а значит и слоев обмотки) какой-нибудь катушки, мы получаем некоторую, иногда весьма значительную, емкость между отдельными витками и слоями обмотки, что дает в результате тот же эффект, если бы мы на зажимах этой катушки приключили конденсатор, по емкости равный собственной емкости катушки.
В нашем случае микрофонного трансформатора — мы получаем как бы дополнительную нагрузку ее вторичной обмотки емкостью, являющейся неизбежным следствием многослойной и многовитковой обмотки.
Эта емкость, шунтируя цепь сетки, с одной стороны, отнимает некоторую часть энергии трансформатора на диэлектрические потери (потери в изоляционных прокладках между слоями и в изоляции самих проводов обмотки), а с другой — может в значительной степени понизить напряжение на зажимах обмотки, что для нас является очень невыгодным.
Кроме того, для зарядки собственной емкости трансформатора появится во вторичной ее обмотке паразитный ток, который вызовет некоторую потерю на нагревание проводов этой обмотки.
Избавиться совершенно от этих потерь нет возможности, но можно свести их до минимума, применяя рациональные конструкции обмоток, уменьшающие их собственную емкость, например, применяя секционированную обмотку, применяя для изоляции материалы с минимальными диэлектрическими потерями, наконец, устраивая так называемые "безъемкостные" обмотки (корзинка, сотовая, тангенциальная и др.), практически обладающие незначительной собственной емкостью.
Этими средствами мы можем как будто победить или значительно обезвредить одного врага — емкость обмотки.
Но существует другой враг, пожалуй, более опасный, особенно, если заботиться больше о чистоте и минимуме искажения в передаче к усилителю "разговорного" тока.
Враг этот — резонанс (электрический) вторичной обмотки трансформатора, обладающей большой самоиндукцией и некоторой, даже хотя бы небольшой, собственной емкостью, — резонанс, проявляющийся при некоторой, вполне определенной частоте (обычно в этом случае довольно высокой).
А это значит, что из всей совокупности частот разговорного тока, представляющего в конечном итоге результат воздействия на микрофон такой же совокупности акустических частот, из которых составляются звуки нашего голоса, — выделятся и, так сказать, будут сильно подчеркнуты, усилены частоты собственных колебаний трансформатора (см. статью проф. Львовича во 2-м № нашего журнала).
Это обстоятельство может в некоторых случаях вызвать весьма большие искажения речи, которые в дальнейшем усилении очень трудно будет исправить и которые, следовательно, недопустимы.
Опять-таки, к сожалению, вполне действительного и надежного средства борьбы с этой неприятностью наша техника пока не знает, но в некоторой степени (иногда вполне достаточной для дела) парализовать данные искажения вполне возможно.
Немецкая техника почти во всех подобных устройствах применяет своего рода "глушители" для затруднения появления свободных колебаний вторичной обмотки при определенной частоте.
Такого рода глушители представляют из себя не что иное, как сопротивления достаточно большой величины, приключенные к зажимам трансформатора (обычно вторичным).
Сопротивления эти должны быть сконструированы так, чтобы емкость их и коэффициент самоиндукции практически были равны нулю (так называемые "безъемкостные и безьиндукционные сопротивления").
Осуществляются на практике такие сопротивления довольно просто: стоит только нанести на хороший изолятор (напр., слюду, эбонит) очень тонкий слой проводника с большим удельным сопротивлением (напр., никель, платина, графит и т. п.).
Отчасти тот же эффект может быть получен при увеличении сопротивления самой вторичной обмотки: за счет некоторой потери энергии (на нагревание этой обмотки) мы получим большую равномерность передачи различных частот разговорного тока.
Изменением действующего сопротивления первичной обмотки, а также включением резонансных шунтов на зажимы вторичной можно также добиться весьма удовлетворительных результатов — на основании следующих соображений.
Представим себе (черт. 1) микрофон в виде какого-либо генератора переменной электродвижущей силы Г, с каким-то сопротивлением (безъиндукционным) Р.
На черт. 1. T обозначает микрофонный трансформатор с обмотками I — первичной и II — вторичной.
Если подогнать среднее кажущееся сопротивление первичной обмотки I так что оно будет меньше сопротивления P, то, при постоянной величине электродвижущей силы генератора Г, на зажимах первичной обмотки трансформатора напряжение будет изменяться почти пропорционально кажущемуся сопротивлению ее, т. е. будет меняться в зависимости от частоты.
Наоборот, если кажущееся сопротивление первичной обмотки трансформатора сделать значительно больше сопротивления Р, то все напряжение источника Г практически окажется на зажимах этой обмотки и от частоты изменяться будет весьма мало.
Подгоняя точно кажущееся сопротивление к сопротивлению микрофона Р, мы получим изменения, средние между двумя рассмотренными крайними случаями.
Черт. 2 дает графическое представление о ходе этого явления для разобранных случаев, при чем мерой искажения может служить изменение с частотой тока конечного усиления.
Само собой понятно, что все, что мы говорили об изменении напряжения на зажимах I в зависимости от изменения частоты, — относится и к напряжению на зажимах II, а следовательно, и на сетке усилительной лампы.
Изменение же напряжения на сетке в зависимости от частоты будет менять величину линейного усиления лампы также в зависимости от частот и, следовательно, будет вносить в усиление сильное искажение.
На чертеже 2 имеется кроме того еще одна кривая (IV), которая дает понятие об изменении усиления при разных частотах в том случае, когда ко вторичной ее обмотке присоединен так называемый резонирующий шунт или фильтр.
Кривая I чертежа № 2 соответствует случаю, когда кажущееся сопротивление первичной обмотки мало вообще и по отношению к сопротивлению Р.
Кривая II — изображает случай равенства сопротивлений Р и первичной I (черт. 1).
Кривая III — относится к случаю, когда кажущееся сопротивление первичной значительно больше Р (черт. 1).
Предположим теперь, что у нас трансформатор работает по кривой II черт. 2, и включим на зажимы вторичной его обмотки комбинацию из самоиндукции и емкости, которая будет резонировать как раз при частоте, соответствующей цифре 7.000 на черт. 2.
Черт. 3 показывает включение такого резонирующего шунта или фильтра Ф, состоящего из последовательно соединенной катушки C и конденсатора K.
Из статьи Р. В. Львовича (в № 2 "Друга Радио") читатели узнали, что можно подобрать емкость конденсатора K и коэффициент самоиндукции катушки C так, что при некоторой частоте (соответствующей, например, цифре 7.000 на черт. 2) эта комбинация из конденсатора и катушки будет для переменного тока представлять вследствие явления резонанса — минимальное сопротивление.
Следовательно, при этой частоте фильтр Ф будет шунтировать (отводить) максимум энергии со вторичной обмотки трансформатора.
Но в этот же самый момент усиление было бы без фильтра наибольшим (см. кривую II чер. 2), и фильтр, следовательно, улучшит дело в смысле большей равномерности усиления при всех частотах.
Известно, что потери в железных сердечниках трансформаторов зависят от частоты переменного тока, циркулирующего в их обмотках, потери эти кроме того увеличиваются с увеличением так называемой "магнитной индукции" (плотности магнитного потока на единицу площади сечения железа сердечника).
Эти факторы являются новыми причинами искажений, вносимых трансформаторами в процесс усиления, и избавиться в полной мере от подобных искажении невозможно: они, так сказать, лежат в природе вещей.
Для сведения указанных выше искажений до минимума рекомендуется поэтому плотность магнитного потока не допускать выше известных пределов. Обычно при расчете таких трансформаторов плотность потока должна лежать в пределах 3.000—5.000 силовых линий на квадратный сантиметр сечения (в технических трансформаторах разрешается плотность в 2—3 раза больше).
Но здесь, при постройке микрофонного трансформатора, мы встречаемся с некоторыми противоречивыми требованиями, которые необходимо рационально согласовать, а именно:
Первичная обмотка микрофонного трансформатора, при желании по возможности полного использования его энергии, выходит с достаточно большим числом витков, в которых проходящий по ним постоянный ток микрофона создал бы очень сильное намагничивание, т. е. получилась бы сравнительно большая плотность силового поля, — что, как мы выяснили раньше, нежелательно.
Приходится поэтому, из желания получить трансформатор, вносящий незначительные искажения, применять так называемые "разомкнутые" железные сердечники, т. е. приходится сознательно итти на некоторые потери на рассеивание магнитного поля, что имеет место при разомкнутых и не вполне замкнутых сердечниках.
Чаще всего железо сердечника имеет полу-замкнутую фигуру, т. е. где-либо в магнитном пути его вводится небольшой воздушный зазор, который препятствует развитию большой магнитной плотности от так называемого основного постоянного тока микрофона.
Для полного освещения явлений, имеющих место в микрофоне и его трансформаторе, на чер. 4 изображено изменение тока в первичной обмотке трансформатора при спокойном его состоянии и при воздействии на него какого-либо звука.
Величина A (чер. 4) — изображает в некотором масштабе тот ток, который проходит через микрофон в его спокойном состоянии, а B — нанесенная пунктиром кривая линия — изменение этого основного тока под влиянием воздействия на микрофон звука некоторой определенной высоты.
Как видно из этого чертежа, изменение основного тока сравнительно незначительно и в микрофонах разных конструкций оно колеблется в среднем от 5 до 25% и зависит кроме того от силы воспроизводимого перед микрофоном звука.
Помощью особого прибора, называемого "осциллографом", можно фотографическим путем записать эти изменения и таким образом определить как чувствительность микрофона вообще, так и его "отзывчивость" вследствие явлений резонанса на некоторые, лишь вполне определенные, звуки.
Подобные исследования показали, напр., что не все гласные производят одинаковое воздействие на ток микрофона, гласная "A" вызывает наиболее сильные колебания микрофонного тока, почему для поверки телефонных линий при начале разговора, чтобы обратить внимание своего корреспондента, обычно перед микрофоном произносят созвучие "алло", которое вызывает достаточно сильное воздействие на микрофонный ток и служит таким образом как бы вызовом.
Величина основного тока в разных микрофонах также различна и колеблется от 0,02 ампер (микрофоны "Вестерн") до 15 ампер (микрофоны Эльстер-Гольмстрем).
В обычных микрофонах этот основной ток чаще всего колеблется от 0,1 до 0,5 ампера.
Наличие этого основного тока микрофона, как было уже выяснено раньше, является с точки зрения работы микрофонного трансформатора нежелательным, и поэтому в усилительных системах, стремящихся к совершенству передачи речи и звуков, — принимаются меры для устранения его вредного влияния.
В американских усилителях "Вестерн" применяется, например, устройство, указанное на черт. 5.
Микрофон этой системы (см. начало статьи в "Друге Радио" № 3) состоит из мембраны и двух порошковых систем, при чем колебания мембраны изменяют сопротивление этих систем, так сказать, в обратном смысле: когда в одной системе (напр., M1) сопротивление уменьшается (а ток, следовательно, увеличивается), то в другой (M2) сопротивление в то же время увеличивается (а ток уменьшается).
Если начальные сопротивления обеих половин M1 и M2 равны, токи, следовательно, также равны, то при намотке первичной обмотки трансформатора T так, как показано на чер. 5, т. е. при разделении первичной обмотки на две отдельные катушки, намотанные в разные стороны (одна "навстречу" другой), намагничивание железа основным током одной системы уничтожается действием другой системы, и в спокойном состоянии железный сердечник микрофонного трансформатора оказывается совершенно (практически) ненамагниченным.
Поэтому в этом случае трансформатор можно строить с замкнутым железом, что значительно повысит его полезное действие.
Во время работы микрофона ток в одной половине обмотки (I) увеличивается, в то время как в другой (II) он уменьшается, в результате чего на железо сердечника действует всегда лишь разность токов, и действие основных токов как бы исключается (компенсируется).
Система эта вполне оправдала себя на деле и дает весьма хорошие результаты в смысле полного использования микрофонной энергии, с одной стороны, и отсутствия искажений звуков и речи — с другой.
Как это было выяснено уже в первой части данной статьи (см. "Друг Радио" № 3), многие дефекты в действии угольных микрофонов заставили искать других методов изменения тока звуковыми колебаниями: появились различного рода приборы, заменяющие более или менее удачно угольные микрофоны.
В некоторых, даже в большинстве таких приборов, начальный, основной ток отсутствует (напр., в электромагнитных микрофонах французской системы, и ленточных микрофонах немецкой конструкции и т. д.). Поэтому в этих случаях микрофонный трансформатор может быть также построен с замкнутым железным сердечником без боязни сильных искажений из-за упомянутых выше специальных свойств железа.
К сожалению, и в случае применения электромагнитных микрофонов отказаться совершенно от применения трансформатора невозможно без больших потерь в общем усилении, т. к. обычно электрическая энергия, развиваемая подвижной частью этих приборов, не является в удобной для усиления форме, т. е. не дает достаточно высокого напряжения.
Приходится трансформировать эту энергию так, чтобы получить возможно выше напряжение, подаваемое дальше на сетку первой усилительной лампы, т. е. приходится применять трансформаторы с большим отношением между числом первичных и вторичных витков его обмотки.
Были попытки избавиться совершенно от наличия трансформатора, но практического осуществления они не получили, и поэтому мы останавливаться больше на этом вопросе не будем и перейдем к рассмотрению следующего звена громкоговорительного устройства — предварительному усилителю.
