"Радиофронт", №35-36, декабрь, 1930 год, стр. 722-727
Специальными схемами для двухсеточных ламп мы называем те схемы, в которых в цепь добавочной сетки включена некоторая нагрузка (в виде катушки или колебательного контура, или наконец, в виде омического сопротивления), причем ток добавочной сетки совершает в этой нагрузке какую-то полезную работу. Собственно говоря, в использовании тока добавочной сетки и заключается первое видимое преимущество этих «специальных» схем; но отсюда могут вытекать и другие преимущества, которые мы рассмотрим на отдельных примерах. Надо заметить, что рассмотренные нами в прошлом занятии схемы с защитной сеткой, так же как и схемы с централизацией пространственного заряда, могут быть скомбинированы со специальными схемами. К настоящему времени мы имеем богатый материал по применению ламп с катодной сеткой в специальных схемах. Этому вопросу и будет в основе посвящено это занятие.
Возьмем любую нормальную схему включения двухсеточной лампы с катодной сеткой, т. е. схему рассеяния пространственного заряда. Если вспомнить внутренние процессы в этой лампе, то легко понять, как изменяется ток катодной сетки в такой схеме при изменении напряжения на рабочей сетке: он возрастает при подаче на основную сетку отрицательного напряжения и убывает при подаче положительного напряжения. Таким образом ток в цепи катодной сетки при приеме сигналов пульсирует, то есть состоит из постоянной и переменной слагающей.
Если включить в эту цепь катушку, то магнитное поле, возникающее в ней под действием переменной слагающей тока, позволит осуществить обратную связь на приемный контур.
Так мы подошли к схеме регенеративного приемника (рис. 1), в котором катушка обратной связи перенесена из анодной цепи в цепь добавочной сетки. Если бы нам пришлось фактически совершать такой перенос катушки, то необходимо было бы сообразить, какое включение ее концов даст правильную обратную связь. Рассматривая характеристики токов анода и катодной сетки двухсеточной лампы, мы видим, что изменения этих токов противоположны по знаку (рис. 2): когда ток в цепи анода возрастает, ток в цепи катодной сетки убывает, и наоборот. Иначе говоря, анодная характеристика является возрастающей в сторону положительных напряжений на рабочей сетке, а характеристика тока катодной сетки является убывающей («отрицательной» или «негативной»).
С этим фактом связано весьма интересное обстоятельство. Отложив вниз (рис. 2) переменное напряжение основной сетки, проследим за изменениями силы тока в цепях анода и катодной сетки. С этой целью изменения анодного тока развернем по времени вправо, а изменения тока катодной сетки — влево.
Сравнивая между собой обе кривых, мы заметим, что они противоположны по фазе: когда анодный ток возрастает, ток в цепи катодной сетки падает, и наоборот.
Это заключение и укажет на правильный способ переноса катушки обратной связи из анодной цепи в сеточную: конец, взятый от анода, следует присоединить к батарее, а конец в обычном регенераторе, подходивший к телефону, в схеме рис. 1 должен быть присоединен к катодной сетке. При таком включении регенерация получается очевидно в том случае, когда направление витков обеих катушек совпадает.
То обстоятельотво, что направление витков в обеих катушках совпадает, позволяет сильно упростить эту новую схему, совместив обе катушки в одну (рис. 3). Такой тип двухсеточного регенератора носит название «негадина». Принцип действия негадина весьма интересен, и мы рассмотрим процессы, в нем происходящие, несколько подробнее.
Во-первых, обратим внимание на следующее обстоятельство: положительное напряжение, действующее на катодную сетку через катушку контура, отделено от управляющей сетки разделительным конденсатором Сс; но в то же время этот конденсатор, будучи правильно рассчитан, представляет собою очень малое сопротивление для высокой частоты. Если же для питания катодной сетки взять отдельную батарею и включить ее за контуром, то в процессах, относящихся к высокой частоте, гридлик никакой роли играть не будет. Тогда схема негадина приобретает вид, изображенный на рис. 4. Цепи сеток связаны между собою колебательным контуром, который при настройке в резонанс с приходящими колебаниями обладает свойствами чисто-омического сопротивления1.
Теперь проследим процесс осуществления регенерации. Пусть на рис. 5 верхняя кривая изображает напряжение, создаваемое на управляющей сетке принимаемым сигналом. Ток в цепи катодной сетки будет согласно характеристике изменяться так, как показывает вторая кривая; он убывает при положительных полупериодах управляющего напряжения и возрастает при отрицательных. При прохождении тока через сопротивление контура на последнем теряется некоторая доля напряжения. Следовательно, напряжение катодной сетки уже не будет оставаться постоянным, а получит переменную слагающую. Эта последняя изображена третьей кривой на рис. 5: когда ток убывает, напряжение катодной сетки возрастает, так как падение напряжения на контуре оказывается меньшим, и наоборот.
Но обе сетки по отношению к переменной слагающей надо считать соединенными между собой накоротко (внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь).
Значит, переменная слагающая напряжения катодной сетки воздействует также и на рабочую сетку, совпадая по фазе с ее собственным напряжением. В этом и заключается осуществление обратной связи.
Весьма интересно отметить, что регенерация может быть осуществлена и при фактической замене колебательного контура высокоомным сопротивлением (рис. 6). Такая система «гальванической» или омической обратной связи применяется иногда и в схемах с трехэлектродными лампами, но там для ее осуществления требуется не меньше двух касасадов, так как переменные напряжения на сетке и на аноде одной и той же лампы противоположны по фазе.
Возвращаясь снова к основной схеме негадина (рис. 3), мы должны перечислить его преимущества и недостатки по сравнению с «нормальным» регенератором, в котором двухсеточная лампа, включенная по схеме рассеяния пространственного заряда, работает при пониженном анодном напряжении.
Преимуществом является простота, и дешевизна негадина: требуется лишь один набор катушек и одна пара гнезд вместо двухкатушечного держателя.
Но в этой простоте заключается и недостаток. Как регулировать степень обратной связи для приема модулированных или незатухающих колебаний? Если в нормальной схеме одну из катушек можно было сделать подвижной, то негадин, очевидно, подобной регулировки не допускает. И приходится прибегать к менее удачному способу регулировки — путем изменения накала нити. При уменьшении накала уменьшается средняя крутизна характеристики, и генерация может быть прекращена. Но очень часто слушается, что порог генерации соответствует слишком малому накалу, и тогда лампа работает с уменьшенными усилительными свойствами. Затем для более строгого выбора режима приходится искать способов весьма точной регулировки накала, что также усложняет управление приемником.
Характерной особенностью всех специальных схем для двухсеточных ламп с катодной сеткой является нагрузка в цепи катодной сетки; ток катодной сетки совершает благодаря этой нагрузке какую-то полезную работу, например пополняет потери энергии в приемном колебательном контуре. Но попутно с этой полезной работой нагрузка сеточной цепи дает еще одну выгоду: она увеличивает крутизну анодной характеристики, то есть повышает усилительные свойства лампы. Это интереснейшее обстоятельство в той или иной мере всегда сопутствует работе негадина, но оно может быть использовано также и в каскадах усиления низкой частоты. Достаточно в цепь катодной сетки усилительного каскада (рис. 7) включить постоянное сопротивление (порядка сотен тысяч омов), — и слышимость увеличится.
Для объяснения этого факта придется проследить зависимость между характеристиками анодного тока и тока катодной сетки. Допустим, что нами снята соответствующая пара характеристик при определенном анодном напряжении и определенном напряжении катодной сетки (рис. 8). Далее, оставляя анодное напряжение неизменным, будем снимать ряд парных характеристик при повышающемся каждый раз на определенную величину напряжении катодной сетки. Каждая новая пара характеристик будет располагаться левее предыдущей, так как количество попадающих на катодную сетку и анод электронов повышается с увеличением положительного напряжения на катодной сетке.
Теперь представим себе, что происходит повышение положительного напряжения на рабочей сетке. Тогда ток катодной сетки падает, а вместе с тем уменьшается та часть напряжения анодной батареи, которая терялась в сопротивлении R. Очевидно, что рабочая точка с правых характеристик переходит в этом процессе на левые, соответствующие повышенному напряжению. Это показано на рис. 8 пунктирной кривой. Итак, изменение тока в цепи катодной сетки при наличии в ее цепи нагрузки происходит круче. Но мы можем считать примерно, что общий ток эмиссии равен сумме токов анода и катодной сетки, причем это равенство справедливо для любой величины напряжения управляющей сетки. И если ток в цепи катодной сетки падает круче, то естественно, что анодный ток круче возрастает (вторая пунктирная кривая на рис. 8).
Благодаря возрастанию крутизны анодной характеристики увеличивается и амплитуда переменной слагающей анодного тока при неизменной амплитуде напряжения подводимого сигнала. Этим достигается повышение эффекта усиления.
Таким образом доказано еще одно преимущество «специальных» схем с двухсеточной лампой, имеющих нагрузку в цепи катодной сетки; нагрузка выгодна независимо от той добавочной роли, которая на нее возлагается.
На этом можно закончить обзор специальных схем регенераторов с двухсеточной лампой. Прежде чем перейти к новой категории специальных схем, следует познакомиться с одним своеобразным применением негадина — не только в приемной, но и в измерительной практике.
В любой области радиотехники важнейшей измерительной задачей является измерение длины волны различных колебательных контуров. Приходится с этой задачей сталкиваться и в любительской практике.
Чаще всего в подобных случаях обращаются к помощи обыкновенного волномера, который представляет собою градуированный колебательный контур, снабженный либо зуммером, либо индикатором (указателем) резонанса. Такой способ измерения длины волны очень прост, но точность измерения при этом бывает невелика. Во-первых, резонанс приходится устанавливать по максимальной слышимости зуммера в телефоне, и этот максимум обычно бывает очень расплывчатым; во-вторых, если волномер возбуждается от зуммера, то измеряемый контур приходится связывать с указателем резонанса в виде телефона с детектором; или, наоборот, если указатель присоединен к контуру волномера, то в измеряемом контуре возбуждаются колебания с помощью зуммера или каким-либо иным путем.
Но всякое добавочное включение несколько меняет волну и в измеряемом контуре, а в волномере и кроме того вносит добавочное затухание в эти контура, отражаясь таким образом на точности измерения.
Необходимость включать какие-либо добавочные приборы в измеряемый контур отпадает, если в качестве волномера применяется гетеродин; его градуированный колебательный контур слабо связывается с измеряемым, и резонанс определяется по уменьшению колебательного тока в контуре гетеродина. При таком способе измерения резонанс обнаруживается гораздо резче, острее, чем в случае измерений при помощи зуммера.
Но и гетеродин в качестве волномера не лишен недостатков. Так, например, длина волны его зависит от режима лампы и, в первую очередь, от накала нити. Поэтому весьма важно при измерениях поддерживать точно такой же накал, какой был при первоначальной градуировке.
Вторым недостатком является сравнительно высокая стоимость гетеродинного волномера. И в этой стоимости самую главную роль играет тот измерительный прибор, который служит для измерения колебательного тока и служит в качестве указателя резонанса. Его цена определяется десятками рублей.
Негадинная схема с двухсеточной лампой позволяет осуществить более дешевый волномер. Правда, и он не лишен недостатков: точно так же длина волны его контура зависит от накала лампы, вследствие чего требуется каждый раз устанавливать по возможности то же самое напряжение накала нити, которое было установлено при первоначальной градуировке. Но зато волномер с двухсеточной лампой обладает рядом весьма ценных преимуществ: он дает возможность очень точно фиксировать момент резонанса; в качестве индикатора в нем может быть применен обычный телефон, всегда имеющийся в распоряжении любителя; наконец, этот же волномер может быть использован в качестве приемника.
По имени изобретателя схемы прибор получил назваяие «волномера Нумана». На рис. 9 приведена его схема. Эта схема в сущности представляет собою обыкновенный негадин. Замкнутый колебательный контур LC составляет основную часть волномера. В анодную цепь включен телефон, который используется в качестве указателя резонанса.
Метод измерений заключается в следующем: подбирается такой режим лампы, при котором в контуре LC возникают собственные колебания. Контур LC связывают слабо с измеряемым контуром и, производя настройку емкостью, слушают в телефон. В момент резонанса обоих контуров наибольшая доля колебательной энергии переходит из волномера в измеряемый контур. Вследствие этого уменьшается переменное напряжение, подаваемое на обе сетки, а вместе с тем — и отрицательное смещение рабочей сетки. Задаваемое гридликом среднее значение анодного тока резко возрастает, и в телефоне слышен щелчок. Положению резонанса соответствует именно то деление конденсатора, при переходе через которое бывает слышен щелчок. Это деление можно установить точно, если вращать конденсатор несколько раз, переводя его через щелчок.
Собрав прибор, в первую очередь необходимо выбрать тот режим, при котором возникают устойчивые собственные колебания и которому должна соответствовать предстоящая градуировка. Накал приходится регулировать весьма точно, а потому нередко (как это указывалось и для других негадинных схем) применяются специальные комбинации реостатов. Обычно берут два реостата с различными сопротивлениями: один — с нормальным для данного типа лампы сопротивлением, а другой — или с значительно большим, или с значительно меньшим. В первом случае их соединяют параллельно, и для точной регулировки служит реостат большого сопротивления; во втором случае их соединяют последовательно, и для точной регулировки предназначается малоомный реостат. Способ соединения определяется, очевидно, типом имеющегося под руками добавочного реостата.
Момент возникновения собственных колебаний обнаруживается при повышении накала мягким щелчком в телефоне. Для лампы МДС вполне достаточно напряжение накала в 2,5 вольта и анодная батарея в 5—10 вольт. Выбранные напряжения очень полезно проверить по вольтметру и записать.
Установив режим лампы, приступают к градуировке прибора. Для этого подбирается катушка на желательный диапазон волн и подносится на расстояние 5—10 сантиметров к точному эталонному волномеру. Устанавливая конденсатор прибора Нумана на целые числа градусов, вращают емкость волномера-эталона, замечая ту его настройку, при которой в телефоне слышен щелчок. Записывая эти значения, получают градуировку, которую затем вычерчивают на миллиметровой бумаге. Если под руками нет эталонного волномера, то можно вместо него использовать какой-либо приемник, настраиваемый на работу станций с известными длинами волн.
Выбор величины связи волномера Нумана с эталоном (а в процессе измерений — с измеряемым контуром) играет большую роль: при слишком слабой связи щелчок пропадает, при слишком сильной можно наблюдать два щелчка в разных положениях настройки. Связь при градуировке и измерении нужно выбирать такую, чтобы не наблюдался ни тот ни другой из этих двух случаев.
Процесс измерения является обратным процессу градуировки: готовый волномер Нумана связывают с измеряемым контуром и, вращая конденсатор первого, отмечают волну, соответствующую точке щелчка.
В практике могут быть случаи, когда наблюдение щелчка оказывается ненужным. Так, например, при градуировке регенеративного приемника телефон оставляют в его гнездах, телефонные же гнезда в волномере замыкают накоротко. При сильной обратной связи в приемнике обнаруживают его резонанс с волномером по «нулевым» биениям.
Точно так же, если в любом приемнике слышна какая-то работа в желательно измерить длину волны, ей соответствующую, то резонанс с генерирующим волномером можно обнаружить или по щелчку, или по «средней точке» свиста при медленном изменении настройки контура волномера.
При сильном накале лампы гетеродин Нумана иногда создает «модулированные» колебания, которые можно слушать даже на простой детекторный приемник. Причина такой «модуляции» может быть двояка: или сеточный конденсатор медленно разряжается через сопротивление, создавая «прерывистую генерацию», или телефон играет роль колебательного контура, в котором возникают колебания звуковой частоты, налагающиеся на основные колебания гетеродина.
Еще удобнее для любительской практики может оказаться волномер Нумана, который создает модулированные колебания благодаря питанию от переменного тока городской сети. При этом понадобится вместо батарей обычный звонковый трансформатор (например типа «Гном»). В таком трансформаторе вторичная обмотка разделена на две части, выводы которых соответствуют напряжениям в 3 и 5 вольт. Первая часть дается на накал, вторая — на анод и катодную сетку. Схема такого волномера показана на рис. 10.
Понятно, что колебания высокой частоты будут возникать лишь за промежутки положительных напряжений на аноде, то есть окажутся модулированными частотою городского тока. Связывая волномер с приемником, мы услышим в этом последнем эти модулированные колебания гетеродина прямо на детектор. Таким образом питание от переменного тока и удешевляет волномер, и упрощает пользование им.
Ввиду того, что внутреннее сопротивление обмотки трансформатора по своей величине соизмеримо с сопротивлением нити лампы, можно для регулировки накала применить параллельное включение реостата накала. При этом полностью введенный реостат будет соответствовать наибольшему напряжению накала, и наоборот.
Хотя, строго говоря, при работе модулированными колебаниями волномер даст более тупую настройку, чем при работе чисто-незатухающими, но зато сравнительное постоянство напряжения городской сети может надежнее гарантировать неизменность градуировки.
Использование тока катодной сетки открывает ряд новых возможностей также в области усиления низкой частоты, с которыми мы сейчас познакомимся. Речь идет о каскаде усиления по схеме пуш-пулл на одной двухсеточной лампе.
Принцип пуш-пулл, как известно, заключается в том, что на общий выходной трансформатор работают две лампы, у которых переменные слагающие анодных токов противоположны по фазе (т. е. «перевернуты» по отношению друг к другу). Но из рассмотрения характеристик двухсеточной лампы мы знаем, что поданное на основную сетку напряжение сигнала создает в цепях анода и катодной сетки переменные слагающие токов, также противоположные по фазе. Следовательдо, уже одна двухсеточная лампа позволяет осуществить каскад пуш-пулла при наличии трансформатора, с выводом от средней точки первичной обмотки (рис. 11).
Преимущества, которые может дать эта схема по сравнению с нормальным трансформаторным каскадом, заключаются в уничтожении подмагничивающего действия анодного тока. Постоянная слагающая анодного тока, проходя по первичной обмотке обыкновенного трансформатора, создает в сердечнике постоянный магнитный поток, приближая тем самым железо к магнитному насыщению. И если в моменты положительных попупериодов железо будет достигать насыщения, то неизбежны искажения звука. В схемах пушпулл постоянные слагающие магнитных потоков, создаваемые обеими половинами первичной обмотки, направлены навстречу друг другу; если постоянные ампер-витки этих половин равны между собою, то подмагничивающие потоки целиком уничтожаются и опасность насыщения уменьшается.
Как же достигнуть этого равенства ампер-витков в схеме с двухсеточной лампой? Если числа витков обеих половин первичной обмотки между собой равны, то придется уравнять и постоянные слагающие токов анода и катодной сетки. Необходимым условием для этого является выбор рабочей точки, которая соответствовала бы пересечению характеристик анодного тока и тока катодной сетки (рис. 12).
Это достигается правильным подбором смещения на управляющей сетке. Если амплитуды напряжения сигнала не выходят из пределов прямолинейных участков обоих характеристик, то каскад работает без искажений.
В том случае, когда любитель располагает лишь обычными трансформаторами, тот же принцип может быть использован по схеме рис. 13. Вторичные обмотки соединены на выходе последовательно и с тем расчетом, чтобы электродвижущие силы в них складывались. Такая схема, понятно, не устраняет подмагничивания сердечников, но зато при трансформаторах определенного типа получается на выходе увеличенное напряжение.
Кстати заметим, что при использовании тока катодной сетки можно с помощью одного лишнего трансформатора осуществить обратную связь на низкой частоте (рис. 14). В этой схеме цепь основной сетки содержит в себе две вторичных обмотки трансформаторов, включенные таким образом, что их напряжения складываются. Благодаря этому, общая амплитуда управляющего напряжения увеличивается, и лампа выделяет в анодной нагрузке большую мощность.
Перейдем теперь к применению схемы пуш-пулл на двухсеточной лампе в каскадах усиления высокой частоты. В основу устройства каскада положена схема резонансного каскада с трансформаторной связью между анодной цепью и колебательным контуром. Но первичная обмотка связью между анодной цепью и колебательным контуром. Но первичная обмотка высокочастотного трансформатора имеет средний вывод и включена концами к аноду и катодной сетке (рис. 15), то есть используется принцип пуш-пулл. Действие такой схемы то же, что и в низкочастотном пуш-пулле, за исключением лишь настроек колебательных контуров в резонанс с частотой сигнала. Преимущества же, даваемые пуш-пуллом на высокой и низкой частоте, весьма различны.
Каскад, изображенный на рис. 15, получил название изодина, этим названием подчеркивается «равное» участие токов анода и катодной сетки в процессе усиления.
В чем заключаются достоинства изодинной схемы? Понятно, что здесь уничтожение постоянного магнитного потока никакой роли не играет, так как отсутствует железо. Но зато изодинный каскад, правильно сконструированный, позволяет принимать даже наиболее короткие из радиовещательных волн без опасности возникновения паразитной генерации.
В резонансных усилителях на трехэлектродной лампе напряжение, выделяемое на одной нагрузке, передается обратно в цепь сетки через внутреннюю емкость анод—сетка (рис. 16). При некоторых соотношениях настроек первого и второго колебательных контуров2 такое обратное действие может создать в сеточном контуре собственные колебания; слагаясь с приходящими, эти собственные колебания вызывают свисты в телефоне и нарушают прием. Обычной мерой борьбы против этого является «нейтрализация» внутриламповой емкости с помощью добавочного конденсатора (рис. 17). Нейтрализация тем необходимее, чем короче принимаемая волна.
Что же мы видим в изодинной схеме? Не только анод, но и катодная сетка связаны с основной сеткой внутренними емкостями (рис. 18). Напряжения, которые передаются через эти емкости, как мы знаем, противоположны по фазе. Следовательно, достаточно лишь уравнять эти напряжения по величине — и «нейтрализация» внутренних емкостей будет достигнута. Условие, при выполнении которого осуществляется равенство напряжений, состоит в правильном подборе точки вывода из катушки к батарее; очень грубо можно сказать, что коэффициенты самоиндукций обеих половин должны быть обратно-пропорциональны величинам соответствующих емкостей. Условие это нарушается влиянием половин катушки друг на друга, междувитковыми емкостями и другими случайными факторами. Практически чаще всего отвод делают от среднего витка.
На рис. 19 представлена схема изодинного приемника 1—V—1, предназначенного для приема дальних станций. Настройка контуров производится переменным конденсатором и переключениями витков катушек. Обратная связь дана на входной контур с анодной цепи второй лампы, которая выполняет роль детектора по «нормальной» схеме. Точно так же «нормальная» схема приемника для каскада низкой частоты.
Демонстрации к занятию. Демонстрация работы негадина и волномера Нумана. Демонстрация схемы пуш-пулл на двухсеточной лампе.
1 Сопротивление контура резонансной частоты вычисляется по формуле:
где R есть ваттное сопротивление внутри контура. Величина Z обычно оказывается значительной для контуров, имеющих не слишком большое ваттное сопротивление.
(стр. 723.)
2 Точнее — когда анодная нагрузка носит индуктивный характер, т. е. когда второй контур настроен на волну, несколько более короткую по сравнению с приходящей.
(стр. 727.)
Z = 900
Lсм
,
Cсм R Ω