"Радиофронт", №31-32, ноябрь, 1930 год, стр. 662-663
Мы рассмотрели в свое время схему усиления напряжений при помощи электронной лампы. Для такой схемы применяется обычно связь между лампами на сопротивлениях. И задача каждого каскада усиления сводится к тому, чтобы на зажимах сопротивления, включенного в анодную цепь лампы, получалось наибольшее переменное напряжение. В этом случае нас интересует только величина напряжения на зажимах сопротивления. Мощность же, выделяющаяся в анодном сопротивлении, никакой существенной роли не играет, так как все равно вся эта мощность превращается в джоулево тепло и расходуется на нагревание сопротивления. Таким образом в схемах на сопротивлениях уже по самому существу дела не имеет смысла стремиться к повышению мощности, выделяемой во внешней цепи. Однако схемы на сопротивлениях обладают целым рядом недостатков, о которых мы в свое время говорили. Основной из этих недостатков заключается в том, что схемы на сопротивлениях пригодны только для усиления низкой частоты или для наиболее длинных волн радиовещательного диапазона. В области коротких волн паразитные емкости, шунтирующие сопротивления, уменьшают эффект, даваемый усилителем, и делают применение усилителя на сопротивлениях нецелесообразным. Поэтому для усиления высокой частоты схемы на сопротивлениях почти не применяются.
Что же касается усиления низкой частоты, то схемы на сопротивлениях применяются только для усиления напряжений. В тех же случаях, когда усилитель должен выделить большую мощность, применение схем на сопротивлениях также не целесообразно.
Таким образом схемы усилителей на сопротивлениях применяются только в ограниченном числе случаев. В подавляющем же большинстве случаев применяются схемы с резонансным усилением в случае высокой частоты и с усилением на трансформаторах в случае усиления низкой частоты. При этом мы уже не можем интересоваться вопросом только о напряжении, выделяемом лампой на зажимах анодной нагрузки, а должны стремиться к тому, чтобы в этой нагруэке (колебательном контуре, трансформаторе или репродукторе) выделялась бы максимальная мощность.
Следовательно, в большинстве случаев дело сводится к тому, чтобы выделить в анодной нагрузке ту наибольшую мощность, которую лампа может выделить.
Отчего же зависит мощность, выделяемая лампой в анодной нагрузке? При правильном выборе величины анодной нагрузки та небольшая мощность, которую может выделить лампа, выражается так:
| W = | Eg2 S | . |
| 4D |
Из этой формулы следует, что мощность, выделяемая лампой, будет тем больше, чем больше отношение S/D. Это отношение принято называть «добротностью лампы» и обозначать буквой G.
Таким образом мощность, выделяемая лампой в анодной нагрузке, будет тем больше, чем больше добротность лампы, и, следовательно, при конструировании лампы нужно стремиться к тому, чтобы ее добротность была возможно больше. Ясно, что для этого нужно делать возможно большей крутизну характеристики лампы и возможно меньшей ее проницаемость.
Однако крутизну характеристики лампы нельзя увеличивать беспредельно. Она зависит от длины нити (тем больше, чем длиннее нить) и от расстояния между нитью и сеткой (тем больше, чем меньше это расстояние). Чисто конструктивные соображения не позволяют делать нить очень длинной и расстояние между сеткой и нитью очень малым. Поэтому, как мы уже указали, в величине крутизны характеристики очень скоро достигается предел, перейти который при обычных методах конструирования ламп не удается.
Когда этот предел достигнут, дальнейшее увеличение добротности лампы может итти только за счет уменьшения ее проницаемости. Но если считать, что на сетке лампы должно существовать некоторое отрицательное смещение, достаточное для устранения сеточных токов, то в уменьшении проницаемости также нельзя итти очень далеко. При данном отрицательном смещении уменьшение проницаемости требует соответствующего уменьшения анодного напряжения, что не всегда выполнимо в любительских условиях. Если же анодного напряжения не повышать, то уменьшение проницаемости вызовет уменьшение анодного тока и перемещение рабочей точки в пологую часть анодной характеристики, т. е. в область малой крутизны.
Помимо того, при данной крутизне характеристики уменьшение проницаемости для трехэлектродной лампы связано с увеличением ее внутреннего сопротивления. (Это следует из основного соотношения между тремя параметрами трехэлектродной лампы:
Но для того, чтобы в анодной нагрузке выделилось максимальное сопротивление, нужно, чтобы между внутренним сопротивлением лампы и сопротивлением нагрузки существовало бы определенное соотношение. Если внутреннее сопротивление лампы возрастает, то вместе с тем необходимо увеличивать и сопротивление внешней нагрузки, а выполнение этого требования вызывает целый ряд конструктивных затруднений.
Мы видим таким образом, что в силу тех соотношений, которые существуют в трехэлектродной лампе, добротность этой лампы не может быть сделана достаточно большой. Совершенно иная получится картина, если мы введем в лампу еще один четвертый электрод — добавочную сетку. В этом случае, благодаря тому, что мы можем выбирать различную проницаемость по отношению к первой сетке и ко второй, мы можем значительно увеличить добротность лампы, не сталкиваясь с теми затруднениями, которые были указаны выше.
Для достижения этого результата в четырехэлектродной лампе можно итти двумя различными путями. Хотя в конечном итоге оба эти пути приводят к одному и тому же результату, но в отношении схемы включения, режима и условий работы лампы они совершенно различны. Поэтому мы обе эти схемы рассмотрим в отдельности. Вместе с тем в обоих этих случаях применяются также несколько различные конструкции четырехэлектродных ламп.
В первую очередь мы рассмотрим наиболее распространенную в нашей любительской практике схему использования двухсеточной лампы — так называемую схему рассеяния пространственного заряда. Схема эта приведена на рис. 1. Для того чтобы разобраться в действии этой схемы, нам придется сделать небольшое отступление.
При излучении электронов накаленным телом существует определенная зависимость между тем напряжением, которое приложено между нитью и анодом, с одной стороны, и силой анодного тока — с другой. Это соотношение зависит не только от геометрического расположения нити по отношению к аноду и размеров того и другого, но также и от состояния и свойств того пространства, которое разделяет нить и анод. Если в этом пространстве нет совершенно электронов, то получается вполне определенная зависимость, и следовательно вполне определенная крутизна анодной характеристики. Если же между нитью и анодом находится значительное количество свободных электронов, так называемый пространственный заряд, то зависимость между напряжением и током изменяется в сторону уменьшения крутизны анодной характеристики. Другими словами, присутствие пространственного заряда в области между нитью и анодом заметно уменьшают крутизну анодной характеристики.
Между тем в обычной трехэлектродной лампе всегда приходится работать при некотором среднем значении анодного тока, значительно меньшем, чем ток насыщения, соответствующий нормальному режиму нити. Следовательно, нить выделяет электроны с некоторым избытком, и этот избыток, образующийся благодаря тому, что только часть электронов, выделяемых нитью, попадает на анод, остается в виде пространственного заряда вокруг сетки. Так как по самому принципу действия трехэлектродной лампы работа ее происходит при токе, меньшем, чем ток насыщения, то пространственный заряд в трехэлектродной лампе не избежен и устранить его невозможно. Присутствие этого пространственного заряда уменьшает крутизну анодной характеристики и значит препятствует увеличению добротности лампы.
Если бы нам удалось устранить пространственный заряд, то тем самым мы повысили бы крутизну анодной характеристики и увеличили бы добротность лампы.
Для устранения пространственного заряда может быть использована вторая добавочная сетка. Если поместить ее близко к нити и приложить к ней достаточно высокое положительное напряжение такого же порядка, как и напряжение на аноде, то все электроны, выделяемые нитью, будут захватываться либо этой добавочной (катодной) сеткой, либо анодом. Часть электронов будет попадать на катодную сетку, а часть на анод. Но так как все электроны, выделяемые нитью, будут захватываться либо сеткой, либо анодом, то лампа будет работать все время на токе насыщения, и пространственный заряд будет отсутствовать. Распределение токов между катодной сеткой и анодом, будет зависеть, во-первых, от геометрических свойств лампы (расстояний, нить-катодная сетка и нить-анод и густоты катодной сетки) и, во-вторых, от напряжения на рабочей сетке, находящейся между катодной сеткой и анодом. Изменение напряжения на рабочей сетке будет вызывать перераспределение сил токов между катодной сеткой и анодом. Если пренебречь токами рабочей сетки, то сумма этих двух токов — анодного и катодной сетки — будет всегда равна току насыщения. Из сказанного ясно, какой вид должны иметь характеристики двухсеточной лампы, включенной по схеме рассеяния пространственного заряда. Эти характеристики изображены на рис. 2.
Мы привели несколько упрощенное описание явлений, происходящих в лампе, включенной по схеме рассеяния пространственного заряда. В действительности картина будет несколько более сложной, и основное усложнение будет заключаться в следующем. При отрицательных напряжениях на рабочей сетке электроны, пролетевшие сквозь катодную сетку, не всегда будут полностью увлекаться анодом; часть из них будет оставаться в пространстве между катодной и рабочей сетками и образует в этой области новый пространственный заряд. Таким образом, строго говоря, двухсеточная лампа работает не при полном отсутствии пространственного заряда. Разница по сравнению с трехэлектродной лампой заключается в том, что пространственный заряд расположен в другом месте, имеет меньшую величину и меньшую плотность. Но в общем характер работы лампы получается примерно такой, как мы описали выше, т. е. как будто пространственный заряд в лампе совсем отсутствует.
Повышение крутизны анодной характеристики и связанное с ним увеличение добротности приводит к тому, что двухсеточная лампа, включенная по схеме рассеяния пространственного заряда, при малом анодном напряжении выделяет ту же мощность во внешней нагрузке, какую обычная трехэлектродная лампа выделяет при нормальном анодном напряжении. Применяя двухсеточную лампу в схеме рассеяния пространственного заряда, можно повысить добротность лампы почти в десять раз, и следовательно для получения той же мощности в анодной нагрузке в соответствующее число раз можно понизить анодное напряжение лампы. Эта возможность и представляет основное преимущество двухсеточной лампы с рассеянием пространственного заряда и обеспечивает ей такое широкое распространение в радиолюбительской практике.
Хорошо известная всем радиолюбителям двухсеточная лампа МДС представляет собой лампу, предназначенную для включения именно по рассмотренной нами схеме рассеяния пространственного заряда. Конструкция этой лампы всем любителям достаточно известна, и поэтому мы остановимся на ней только вкратце. Добавочная катодная сетка в этой лампе расположена в непосредственной близости от нити и вывод ее сделан сбоку на цоколе лампы в виде клеммы. Как мы уже указали, эта лампа рассчитана на работу в схеме рассеяния пространственного заряда. Однако принципиально всякая двухсеточная лампа может быть использована как в этой схеме, так и в той и другой схеме, о которой мы будем говорить во второй части занятия. Но, как мы увидим, там же, в этой второй схеме, лампа не позволит использовать все те преимущества, которые эта схема представляет. Поэтому лампу МДС следует считать предназначенной главным образом для схемы рассеяния пространственного заряда. В этой схеме лампа МДС работает вполне удовлетворительно и позволяет выделить в анодной нагрузке при анодном напряжении порядка 15—20 вольт такую же мощность, какую нормальная трехэлектродная лампа выделяет при напряжении в 80—100 вольт. Таким образом, лампа МДС в схеме рассеяния пространственного заряда позволяет ограничиваться очень низкими напряжениями, что представляет огромные преимущества в тех случаях, когда питание установки производится от сухих батарей.
Снятие характеристик двухсеточной лампы, включенной по схеме рассеяния пространственного заряда.
