"Радиофронт", №22, август, 1930 год, стр. 524-526
Мы приступаем к рассмотрению одного из важнейших вопросов в области лампового приема, именно вопроса о регенеративном приеме. Понимание принципа действия регенеративного приемника и ясное представление о всех его особенностях необходимо для того, чтобы суметь разрешить вопрос, когда и как следует применять регенеративный приемник и каких результатов можно от него ожидать в том или другом случае. Так как большинство ламповых приемников представляют собой именно приемники регенеративные и регенератор до сих пор является самым распространенным из ламповых приемников, мы считаем полезным на вопросах регенеративного приема остановиться особенно подробно и уделить этим вопросам много внимания.
Рассмотрение регенеративного приемника приведет нас к целому ряду новых представлений, с которыми до сих пор нам не приходилось сталкиваться. К этим представлениям надо привыкнуть, и с ними надо освоиться. Мы попытаемся облегчить нашему читателю эти задачи.
Принципиально новое обстоятельство, с которым мы не сталкивались до сих пор, но которое играет чрезвычайно существенную роль в регенераторе, заключается в следующем. В обычном колебательном контуре, состоящем из емкости, самоиндукции и сопротивления, сопротивление, а вместе с тем и декремент затухания контура считают постоянным. Кроме того, это сопротивление всегда бывает положительное, т. е. в контуре всегда затрачивается энергия, и поэтому в нем могут существовать только затухающие электрические колебания. В случае же контура, связанного с электронной лампой, при известных условиях можно добиться того, чтобы сопротивление контура, а вместе с тем и его затухание не оставалось бы постоянным, а являлось бы переменным, т. е. зависело бы от силы тока в контуре. При этом можно добиться даже того, чтобы общее сопротивление контура вместе с электронной лампой для определенных частот при малом токе было бы «отрицательным» и только при большом токе становилось бы положительным. Это значит, что в течение известной части периода колебаний контур вместе с лампой не только не потреблял бы энергии, но наоборот создавал бы колебательную энергию (конечно, за счет энергии тех батарей, которые питают лампу).
Обо всех этих обстоятельствах мы будем говорить в дальнейшем более подробно. Сейчас мы ограничимся этими указаниями и подчеркнем еще раз, что контур с регенерацией принципиально отличается от обычного колебательного контура именно тем, что в регенеративном контуре сопротивление, а вместе с тем и затухание контура вместе с лампой не является постоянным и зависит от силы тока в контуре. В случае же обычного колебательного контура сопротивление и затухание всегда остаются постоянным и не зависят от силы тока в контуре.
Представим себе колебательный контур, присоединенный к сетке электронной лампы так, как указано на рис. 1. Если в контуре происходят какие-либо колебания под действием внешней силы (вынужденные колебания), то в анодной цепи лампы будут происходить изменения силы анодного тока, вызванные теми изменениями напряжения, которые получаются на зажимах конденсатора контура, вследствие наличия в этом контуре колебаний. Эти колебания тока в анодной цепи создают определенные напряжения на зажимах катушки самоиндукции La, включенной в анодную цепь. При известных условиях напряжение на зажимах катушки самоиндукции может быть очень значительным и в несколько раз превышать те напряжения, которые существуют на зажимах катушки самоиндукции (или конденсатора) колебательного контура в цепи сетки.
Если мы сблизим между собой катушки Lc и La настолько, что изменение силы тока в анодной цепи будет действовать на катушку колебательного контура, то помимо существующих в колебательном контуре напряжений в нем будут создаваться добавочные напряжения, индуктируемые изменениями силы тока в анодном контуре. Эти добавочные напряжения по своему характеру (форме и частоте) будут соответствовать основным напряжениям и могут от них отличаться только по амплитуде и по направлению (по знаку). Мы можем подобрать направление витков в анодной катушке таким образом, чтобы знак напряжений, создаваемых на зажимах катушки колебательного контура вследствие воздействия анодного тока, совпадал бы с знаком тех напряжений, которые создаются на зажимах этой катушки внешней силой. Легко сообразить как это сделать. Очевидно, что если в какой-нибудь момент на сетке лампы под действием внешней силы существует положительное напряжение, то вследствие этого сила токов анодной цепи должна возрастать. Следовательно, мы должны так выбрать направление витков анодной катушки La, чтобы при возрастании тока в этой катушке на том конце катушки Lc колебательного контура Lc, который присоединен к сетке, индуктировалось бы также положительное напряжение.
В таком случае напряжения внешней электродвижущей силы и напряжения, индуктируемые благодаря обратному действию анодного тока на сеточный контур, будут складываться и суммарное напряжение будет больше, чем то, которое существовало бы на сетке лампы, если бы не было этой обратной связи. Итак мы видим, что при помощи лампы и обратной связи анодного контура с сеточным можно при известных условиях добиться того, чтобы в контуре сетки получались напряжения большие чем те, которые создает внешняя электродвижущая сила.
Условия, при которых могут быть достигнуты такие результаты, сводятся к тому, чтобы напряжения внешней силы и обратной связи совпадали бы по фазе, т. е. чтобы между направлением витков в анодной и сеточной катушках существовало бы определенное соотношение. Если мы направление витков в одной из этих катушек изменим на обратное, то оба напряжения в сеточном контуре окажутся уже в противоположных фазах и обратное действие будет уменьшать амплитуды колебаний в сеточном контуре, а не увеличивать их. Это обстоятельство необходимо всегда иметь в виду, ибо при неправильном направлении витков катушек мы, конечно, не сможем получить регенеративного эффекта.
Та схема обратного действия, которую мы рассмотрели, носит название схемы с индуктивной обратной связью или схемы Армстронга по имени изобретателя, ее предложившего. Конечно, существует целый ряд способов заставить изменения анодного тока действовать на сетку лампы. Все эти способы мы рассмотрим в дальнейшем, а пока остановимся подробнее на принципе действия и особенностях схемы регенератора с обратной связью.
Действие регенератора мы можем рассмотреть с несколько иной точки зрения. Вследствие наличия сопротивления в колебательном контуре, в этом контуре происходят потери энергии. Та энергия, которую создает в контуре внешняя электродвижущая сила, расходуется именно на пополнение этих потерь. При этом чем больше будет сопротивление колебательного контура, тем больше в нем будет затухание и, следовательно, тем меньше при данной внешней силе будут получаться токи в этом контуре. Но помимо той энергии, которую приносит с собой внешняя сила, мы имеем в контуре с лампой местный источник энергии — анодную батарею, которая доставляет энергию в анодную цепь лампы. Мы можем считать, что при известных условиях (при отсутствии тока в цепи сетки) на управление анодным током не расходуется энергия из цепи сетки. Следовательно, колебания в цепи сетки только управляют той энергией, которую отдает анодная батарея. Благодаря обратной связи очевидно возможен переход части этой энергии в колебательный контур сетки. И если мы подберем эту связь определенным образом, то мы можем достигнуть того, чтобы энергия из анодного контура переходила в контур сетки, а энергия контура цепи сетки не потреблялась бы анодной цепью. Таким образом при определенном положении катушек обратной связи мы можем достигнуть того, чтобы энергия анодного контура все время частично передавалась в контур сетки. При этом потери в цепи сетки будут компенсироваться уже не только той энергией, которую приносит с собой внешняя электродвижущая сила, но частично и той энергией, которую выделяет анодная батарея. Благодаря этому, контур в цепи сетки будет вести себя по отношению к внешним колебаниям как контур с меньшими потерями, чем в случае отсутствия обратной связи. Мы можем считать поэтому, что колебательный контур в цепи сетки обладает меньшим сопротивлением, чем при отсутствии обратной связи и, следовательно, что действие обратной связи сводится к уменьшению сопротивления контура для той частоты, на которую контур настроен.
Условие, при котором энергия из анодного контура переходит в контур сетки и частично компенсирует потери в этом контуре, это и есть то условие, которое мы вывели выше, именно: определенное соотношение между фазами внешней электродвижущей силы и электродвижущей силы, возникающей в контуре благодаря обратной связи.
Если лампа обладает прямолинейной характеристикой, то на этом прямолинейном участки сила тока в анодной цепи пропорциональна напряжению на сетке лампы и, следовательно, напряжения, создаваемые обратной связью в контуре сетки, также пропорциональны тем напряжениям, которые создаются внешней электродвижущей силой. На малом участке характеристики мы можем всегда считать, что характеристика прямолинейна. Поэтому для слабых колебаний в цепи сетки действие обратной связи сводится к тому, что оно как бы в определенное известное и примерно постоянное число раз повышает напряжения, получающиеся на сетке лампы или, что то же самое, как бы в определенное число раз понижает затухание контура сетки.
Но если напряжения на зажимах сетки будут достаточно велики, то характеристику лампы мы уже не можем считать прямолинейной. В этом случае прямой пропорциональности уже не будет существовать и сопротивление контура для внешней электродвижущей силы будет уже переменным. При малых значениях тока и напряжения в контуре оно будет меньше, а при больших значениях оно будет возрастать, т. е. действие обратной связи будет меньше сказываться при сильных внешних электродвижущих силах, чем при слабых. Легко понять почему это так происходит. Эффект, даваемый обратной связью, конечно, зависит от крутизны характеристики лампы. Чем круче характеристика, тем сильнее действие обратной связи при том же самом коэфициенте связи между анодной и сеточной катушками. Но при больших напряжениях в цепи сетки мы неизбежно будем заходить на близкие к началу и к току насыщения, т. е. более пологие участки анодной характеристики. Вследствие этого «средняя крутизна» анодной характеристики уменьшится, а вместе с тем уменьшится эффект, даваемый обратной связью. Таким образом, мы установили (и это необходимо всегда помнить), что действие обратной связи зависит от величины напряжений, подводимых к сетке лампы. Если эти напряжения малы, то эффект обратной связи (т. е. увеличение напряжений в контуре сетки благодаря обратной связи) велик, если же эти напряжения велики, то эффект обратной связи мал. Это обстоятельство является весьма существенным при определении свойств регенератора и его преимуществ в тех или других условиях приема.
Из всего сказанного легко вывести, в чем заключаются основные преимущества регенератора. Так как благодаря регенерации как бы уменьшается затухание колебательного контура в цепи сетки, то есть приемного контура, то эффект регенерации дает все те преимущества, которые дает всякое уменьшение затухания приемного контура. Эти преимущества, как мы знаем, заключаются, во-первых, в повышении чувствительности приемника, а, во-вторых, в увеличении остроты его настройки. При этом с помощью обратной связи можно достигнуть такого кажущегося уменьшения затухания в контуре, которое совершенно недостижимо при помощи средств, применяемых для уменьшения затухания контуров без электронной лампы (увеличения диаметра провода, улучшение качества изоляции и т. д.). В самом лучшем из приемных колебательных контуров без электронной лампы могут быть получены декременты затухания порядка 0,01. При помощи же обратной связи легко уменьшить затухание в контурах до декремента порядка 0,001. Таким образом эффект обратного действия может повысить чувствительность и избирательность приемника в десятки раз.
Однако, как мы уже указывали, это рассуждение правильно только для очень слабых сигналов, при которых мы можем считать характеристику лампы прямолинейной. Чем больше будут напряжения на сетке лампы, тем дальше будем мы заходить на пологие части анодной характеристики и тем меньше будет эффект, даваемый обратной связью. При очень сильных сигналах может случиться, что обратная связь не будет давать сколько-нибудь заметного эффекта. Легко понять почему это возможно. Ведь при увеличении напряжения на сетке анодный ток не будет возрастать беспредельно, так как величина его ограничена током насыщения лампы. Следовательно, не будут возрастать беспредельно и те напряжения, которые индуктируются в контуре сетки благодаря обратной связи. Поэтому при увеличении напряжений приходящих сигналов получится такая картина: напряжения, создаваемые на сетке обратной связью, окажутся меньше тех напряжений, которые создаются приходящими сигналами. Ясно, что при этом обратная связь никакого эффекта уже дать не сможет.
Таким образом основные преимущества регенератора — чувствительность к слабым сигналам и острота настройки — будут тем заметнее, чем слабее принимаемые сигналы. Из этого ясно, для какой цели в сущности следует применять регенератор — для приема слабых сигналов, при условии, что слабы не только принимаемые сигналы, но и сигналы мешающих станций. Если сигналы мешающих станций очень сильны, то регенератор по отношению к этим сильным сигналам, как мы уже видели, будет вести себя как обычный приемный контур с нормальным затуханием, так как эффект обратной связи при сильных сигналах не будет сказываться.
Таким образом вот чего мы можем требовать от регенератора: большой чувствительности к слабым сигналам и большой остроты настройки, опять-таки только для слабых сигналов. В случае, если принимаемая или мешающая станция создают на сетке регенератора большие напряжения, то никаких преимуществ от регенератора ни в отношении чувствительности, ни в отношении остроты настройки мы требовать не можем.
В дальнейшем мы более подробно рассмотрим вопрос о том, чем ограничивается чувствительность регенератора при слабых сигналах.
Демонстрация роли фазы обратного действия. Демонстрация приема на регенератор слабых и сильных сигналов.