"Радиофронт", №33-34, ноябрь-декабрь, 1930 год, стр. 683-685
Как мы выяснили в первой части занятия, эффект, даваемый усилительной лампой, предназначенной для усиления мощности, определяется добротностью лампы, т. е. отношением крутизны характеристики лампы к проницаемости. В схеме рассеяния пространственного заряда, которую мы рассмотрели в прошлый раз, увеличение добротности лампы достигается повышением крутизны ее характеристики. Можно, однако, достигнуть того же результата, не увеличивая крутизны характеристики, а уменьшая проницаемость лампы. Но уменьшая проницаемость в обычной трехэлектродной лампе, мы сталкиваемся с другими трудностями, именно — необходимостью значительно повышать анодное напряжение для того, чтобы иметь возможность дать на сетку некоторое отрицательное смещение. В лампе же с двумя сетками можно достигнуть соответствующего увеличения добротноcти, не уменьшая проницаемости для рабочей сетки. Вместо этого применяется вторая сетка, расположенная ближе к аноду, и обладающая малой проницаемостью. Присутствие этой второй сетки обусловливает высокую добротность лампы, несмотря на сравнительно большую проницаемость первой сетки. Добавочвал сетка, расположенная вблизи анода, находится под некоторым положительным напряжением, равным напряжению анодной батареи или несколько меньшим, т. е. включается так, как указано на рис. 1.
Приведенная на рис. 1 схема носит название схемы анодной защиты. В этой схеме Zc — сеточный контур и Za — анодная нагрузка. Для того чтобы было ясно, откуда происходит это название, нам нужно вернуться несколько назад и рассмотреть явление анодной реакции, о которой мы раньше не говорили. Рассмотрим мы это явление для простоты на одном частном примере. Представим себе трехэлектродную лампу, включенную по обычной схеме (рис. 2). Пусть напряжение анодной батареи составляет 80 вольт и при этом в анодной цепи течет ток в 4 миллиампера, когда напряжение на сетке равно нулю. Семейство анодных характеристик для этой лампы приведено на рис. 3. Так как анодная батарея присоединена непосредственно к аиоду ламп, то до тех пор, пока напряжение этой батареи будет постоянным, будет оставаться постоянным и напряжение на аноде. Следовательно, при изменении напряжения на сетке изменения величины анодного тока будут определяться характеристикой, соответствующей напряжению в 80 вольт. Если мы увеличим до 100 вольт или уменьшим до 60 вольт напряжение анодной батареи, то изменения анодного тока при изменении напряжения на сетке будут определяться другими характеристиками нашего семейства. Но в каждом случае напряжение на аноде будет оставаться постоянным и, следовательно, все изменения анодного тока будут определяться одной из трех характеристик семейства.
Совершенно иная картина получится, если мы включим в анодную цепь сопротивление R величиною например в 10 тысяч ом (рис. 4). Очевидно, что анодный ток, протекающий через это сопротивление, будет создавать некоторое падение напряжения на концах сопротивления и, следовательно, на анод лампы будет попадать не все напряжение анодной батареи, а лишь некоторая часть его — разность между полным напряжением анодной батареи и падением напряжения в анодном сопротивлении. Для того чтобы рассматривать те же характеристики как и раньше, мы повысим анодное напряжение настолько, чтобы на анод лампы попадало палностью 80 вольт. Легко сосчитать, каково должно быть при этом напряжение анодной батареи. При токе в 4 миллиампера в анодном сопротивлении, равном 10000 ом, получается падение напряжения в 40 вольт; если мы присоединим к аноду батарею напряжением в 120 вольт, то из этих 120 вольт 40 вольт погасится на анодном сопротивлении и ровно 80 вольт попадет на анод лампы. Следовательно, при этих условиях лампа будет находиться в положении, соответствующем точке «А» на рис. 3. Однако, если мы изменим напряжение на сетке, то точка, представляющая режим лампы, не останется на этой характеристике, так как при изменении напряжения на сетке изменится величина анодного тока, а вместе с тем изменится падение напряжения в анодной цепи, а значит и напряжение на аноде лампы. Представим себе, что мы приложили к сетке такое положительное напряжение, что анодный ток возрос до 6 миллиампер. Тогда, очевидно, падение напряжения в анодном сопротивлении увеличится до 60 вольт и на аноде лампы останется также 60 вольт, следовательно, режим лампы будет соответствовать точке «Б» на рис. 3, так как точка должна переместиться на характеристику, соответствующую анодному напряжению в 60 вольт. Наоборот, если мы приложим к сетке такое отрицательное напряжение, что анодный ток уменьшится до 2 миллиампер, то падение напряжения на анодном сопротивлении будет составлять только 20 вольт а на анод лампы придется напряжение в 100 вольт. Точка, представляющая режим лампы, переместится в точку «В» на рис. 3. Совершенно ясно, что при изменении сеточного напряжения в пределах примерно от минус 4 до плюс 4 вольт, точка представляющая режим лампы, будет перемещаться по прямой линии, соединяющей точки «А», «Б» и «В». Эта линия, изображающая действительное изменение режима лампы, при изменении напряжения на сетке в том случае, когда в анодную цепь включено сопротивление R, называется «рабочей характеристикой» (или «динамической характеристикой») лампы в отличие от тех «статических характеристик», которыми мы пользовались до сих пор. Ясно, что крутизна рабочей характеристики всегда будет меньше, чем крутизна статической характеристики.
Таким образом мы выяснили, что наличие сопротивления в анодной цепи вызывает изменение напряжения на аноде лампы, а эти изменения в свою очередь вызывают изменения вида и уменьшения крутизны анодной характеристики. Это явление и называется реакцией анода.
Если вместо трехэлектродной лампы мы будем применять четырехэлектродную, включенную по схеме защиты анода, то электроны будут почти полностью пролетать через анодную сетку и попадать на анод. Следовательно, почти весь ток эмиссии будет проходить через анодную цепь, и мы можем считать, что в цепи добавочной сетки анодный ток равен нулю. Между тем, так как добавочная сетка находится ближе к нити, чем анод, то величина анодного тока определяется главным образом напряжением на этой сетке, а не напряжением на аноде. Но напряжение на добавочной сетке всегда остается постоянным, так как эта сетка присоединена непосредственно к анодной батарее. Вследствие этого изменения напряжения на аноде, вызванные изменением величины падения напряжения в анодном сопротивлении, не будут вызывать сколько-нибудь заметного изменения величины анодного тока. Следовательно, присутствие добавочной сетки, включенной так, как указано на рис. 1, полностью или, вернее, почти полностью, устраняет явления анодной реакции, как бы защищая лампу от изменений напряжения на аноде. Поэтому-то рассматриваемая нами схема называется схемой анодной защиты, а добавочная сетка называется защитной. Для того чтобы в цепи защитной сетки не протекал значительный ток, ее включают обычно на напряжение несколько меньше, чем напряжение на аноде. В тех случаях, когда анодная батарея не секционирована и включить защитную сетку непосредственно на часть батареи невозможно, применяют схему включения, приведенную на рис. 5. В цепь защитной сетки включается некоторое значительное сопротивление Rg порядка сотен тысяч ом. Так как в цепи защитной сетки протекает некоторый ток, то падение напряжения, вызванное этим током в цепи защитной сетки, понизит напряжение на этой сетке, и ток в цепи защитной сетки будет меньше, чем при включении ее непосредственно на плюс анодной батареи. Этот метод включения защитной сетки широко распространен в любительской практике.
Итак, применение четырехэлектродной лампы в схеме анодной защиты повышает добротность лампы. Но вместе с тем повышает и внутреннее сопротивление лампы, так как оно обратно пропорционально произведению проницаемости рабочей и защитной сетки. Это произведение всегда меньше, чем проницаемость в обычной трехэлектродной лампе, и поэтому внутреннее сопротивление четырехэлектродной лампы, включенной по схеме анодной защиты, гораздо больше, чем внутреннее сопротивление обычной трехэлектродной лампы. В существующих типах четырехэлектродных ламп оно составляет сотни тысяч ом и во всяком случае не опускается ниже ста тысяч ом.
Но как нам уже приходилось указывать, для того чтобы лампа могла выделить в анодной цени наибольшую мощность, между внутренним сопротивлением лампы и сопротивлением внешней нагрузки должно существовать определенное соответствие. Поэтому четырехэлектродная лампа, включенная по схеме анодной защиты, требует очень большого сопротивления внешней нагрузки. Для достижения этой цели приходится в схемах усиления высокой частоты на лампах с защитной сеткой применять колебательные контура с регенерацией (как известно, регенерация понижает затухание колебательного контура и увеличивает его кажущееся сопротивление токам той частоты, на которую этот контур настроен). В схемах же усиления низкой частоты на лампах с защитной сеткой этот резонансный метод, конечно, не пригоден, и приходится применять какие-либо другие меры для повышения кажущегося сопротивления анодной нагрузки. Обычно в схемах низкой частоты для этой цели применяются выходные трансформаторы или автотрансформаторы с большим числом витков в первичной обмотке, включаемой в анодную цепь четырехэлектродной лампы. Если не применять этих специальных мер для повышения кажущегося сопротивления анода и нагрузки, то четырехэлектродная лампа, включенная по схеме анодной защиты, никогда не даст того эффекта, который она должна была бы давать.
Помимо повышения добротности лампы, защитная сетка при соответствующем расположении электродов может дать еще одно очень большое преимущество. Как мы знаем, наличие емкости между сеткой и анодом в обычной трехэлектродной лампе представляет собою весьма существенный недостаток в тех случаях, когда лампа применяется дли усиления высокой частоты. Если в сетку и в анод такой лампы включены колебательные контуры, то достаточно самой незначительной емкостной связи между анодом и сеткой (т. е. емкостной обратной связи) для того, чтобы в схеме возникли колебания. При коротких волнах радиовещательного диапазона для возникновения колебаний достаточно бывает емкости в несколько сантиметров, а такие емкости между сеткой и анодом обычной трехэлектродной лампы всегда существуют и устранить их никакими изменениями в расположении выводов и ножек не удается. Это обстоятельство препятствует применению трехэлектродной лампы в многокаскадных усилителях высокой частоты, в которых собственные колебания возникают особенно легко. Даже при наличии одного каскада высокой частоты междуэлектродная емкость часто служит причиной возникновения колебаний и затрудняет работу с приемником.
Очевидно, что единственный путь для устранения этого явления — это устранение емкости между сеткой и анодом путем экранирования.
Роль этого электрического экрана и может выполнить защитная сетка. С этой целью защитная сетка располагается таким образом, чтобы она экранировала не только самый анод от рабочей сетки, но и края этих обоих электродов. Вместе с тем выводы от электродов в экранированной лампе делаются так, чтобы емкость между выводами и ножками была минимальной. Обычно экранирующая сетка подводится к четвертой ножке лампы, к которой в трехэлектродных лампах присоединяется анод, а анод экранированноЙ лампы подводится к клемме, укрепленной на верхушке баллона лампы. Все эти меры позволяют понизить емкость между рабочей сеткой и анодом в десятки раз. Еще дальше можно итти в этом направлении, если применять внутриламповый экран, экранирующий анод от выходов всех трех остальных электродов. Такой внутренний экран применен, например, в наших экранированных лампах СО—44. Применяя экранированную лампу, необходимо, конечно, и во внешних цепях полностью устранить емкостные связи между цепью сетки и анода, т. е. применять и внешнее экранирование. Лампы с внутренним экраном обычно монтируются таким образом, что внешний экран служит продолжением внутреннего и в таком случае емкость между цепью рабочей сетки и цепью анода удается понизить до сотых долей сантиметра. Такую емкость для всех волн, за исключением только ультракоротких, можно практически считать равной нулю, и, следовательно, применение экранированной лампы с внутренним и внешним экраном позволяет полностью устранить емкостные связи между рабочей сеткой и анодом и применять без всяких затруднений резонансное усиление высокой частоты не только в одном, но дажа в нескольких каскадах.
Стремясь к дальнейшему повышению добротности лампы, можно в одной и той же лампе применять оба приема, с которыми мы познакомились, т. е. и анодную защиту и рассеяние пространственного заряда. Для этого необходимы уже две добавочных сетки, т. е. всего три сетки, нить и анод, в общем пять электродов. Такие пятиэлектродные лампы, так называемые пентоды, существуют уже за границей, и применение их дает действительно огромный эффект в смысле усиления мощности. Однако при усилении высокой частоты не имеет смысла стремиться к особенно большим усилениям в одном каскаде, так как при этом селективность приемника не увеличивается и, следовательно, вместе с сигналами усиливаются и всевозможные помехи. Те усиления, которые могут быть получены с четырехэлектродной экранированной лампой (усиление в сотни раз в одном каскаде), являются совершенно достаточными, и в направлении усиления высокой частоты итти дальше вряд ли представляется целесообразным. Поэтому пентоды применяются только для усиления низкой частоты, так как при достаточно чистом приеме можно применять очень большое усиление низкой частоты. Большое число каскадов в этом случае является только недостатком и естественно поэтому стремление получить возможно большее усиление низкой частоты в одном каскаде.
Нашей промышленностью выпущены два типа экранированных ламп, именно лампы СТ—80 и СО—44. Обе эти лампы обладают очень большим коэфициентом усиления и вместе с тем очень большим внутренним сопротивлением, поэтому они особенно пригодны для усиления высокой частоты. Вторая из этих ламп, как мы уже указывали, снабжена внутренним экраном и поэтому применять ее целесообразно в тех случаях, когда емкости между сеткой и анодом должны быть совершенно устранены. В тех же случаях, когда емкости порядка сотых долей сантиметра не играют роли, т. е. при усилении волн радиовещательного диапазона, лампа СТ—80 оказывается совершенно удовлетворительной в смысле экранировки и дает действительно хорошие результаты. Те немногие из наших радиолюбителей, которым удалось получить эти лампы, достигли с их помощью очень значительных успехов в смысле повышения чувствительности приемника, т. е. в вопросах дальнего приема.
Снятие рабочих характеристик трехэлектродной лампы и четырехэлектродной лампы (можно обычной ДМС) в схеме анодной защиты. Демонстрация работы четырехэлектродной лампы в схеме анодной защиты. Демонстрация роли внутриламповых емкостей и работы экранированной лампы.
