"Радиолюбитель", №11-12, июль, 1925 год, стр. 259-261

Междуламповые трансформаторы низкой частоты

И. Горон

(Для подготовленного читателя)

Усиление на низкой частоте с трансформаторами является необходимым в том случае, когда принятые слабые сигналы, уже детектированные, или даже предварительно усиленные усилителем высокой частоты и потом детектированные, нужно еще усилить, например, для пишущего приема или приема радиотелефона на громкоговоритель. В последнем случае большей частью необходимо иметь один-три каскада (ступени) усиления низкой частоты на трансформаторах. Усиление низкой частоты можно производить также помощью усилителей с передающими сопротивлениями или дросселями, но наиболее выгодным в смысле количества ламп (количества каскадов усиления) является усилитель с трансформаторами. Правда, усилители с трансформаторами не совсем благополучны в смысле ясности передачи, они более или менее искажают речь, но рациональной конструкцией трансформатора эти искажения можно уменьшить до весьма небольшой величины.

Принцип действия усилителей низкой частоты

Простейшая схема усилителя низкой частоты с трансформаторами изображена на рисунке 1. Принятые антенной колебания высокой частоты детектируются в приемнике детектором и попадают в первичную обмотку 1 входного трансформатора Тр.в. Переменное напряжение, получаемое на концах вторичной обмотки 2 этого трансформатора, подается на сетку—нить первой лампы Л1. Колебания напряжения на сетке первой лампы вызовут колебания тока анодной цепи этой лампы. В анодной цепи первой лампы включена первичная обмотка 1 междулампового трансформатора Тр1; вторичная обмотка 2 этого трансформатора присоединена к сетке—нить 2-й лампы Л2. Колебания анодного тока первой лампы, протекающего в первичной обмотке первого трансформатора, вызовут колебания напряжения на концах вторичной обмотки; так как вторая обмотка обычно имеет большее число витков, нежели первичная, напряжение в трансформаторе повышается.

Рис. 1. Схема трехкратного усилителя низкой частоты. Тр.в. — входной трансформатор, ТрI и ТрII — междуламповые тр-ры.

Эти колебания с повышенным напряжением подаются на сетку—нить второй лампы Л2, вызывая в анодной цепи этой лампы усиленные колебания. Переход от второй лампы к третьей — совершенно аналогичен переходу от первой лампы ко второй и т. д. Обычно число каскадов с трансформаторами бывает не больше трех, так как при большем числе каскадов усилитель работает неустойчиво, имеет склонность к свисту и т. д.

Теория трансформатора низкой частоты

Междуламповый трансформатор низкой частоты представляет собой обычно железный сердечник, на котором имеются две намотки. Схематически такой трансформатор и его включение показано на рис. 2: С — железный сердечник, 1 — первичная (анодная) обмотка, 2 — вторичная (сеточная) обмотка.

Рис. 2. Схема включения междулампового трансформатора низкой частоты.

К сетке—нить первой лампы мы подводим переменное напряжение Eg1. Вызванный этим в анодной цепи переменный ток, протекая по первичной обмотке 1 тр-а ¹), произведет переменное магнитное поле, магнитные силовые линии М которого, замыкаясь в железном сердечнике, индуктируют (наводят) во вторичной обмотке 2 переменную электродвижущую силу. Напряжение на концах вторичной обмотки Eg2 прикладывается к сетке—нить следующей лампы. Для удобства дальнейших рассуждений, введем некоторые обозначения. Прежде всего необходимо как-нибудь определить усиление, получаемое от одного каскада. Это усиление весьма удобно характеризовать отношением Eg2 : Eg1, т.-е. отношение напряжений на сетках двух друг за другом стоящих ламп.

Ясно, что это усиление складывается из двух величин: 1) из усиления, даваемого лампой непосредственно — это усиление характеризуется так наз. усилительной постоянной µ лампы (см. «РЛ» № 4/12, стр. 87), и 2) усиления, даваемого трансформатором. Этим последним усилением, зависящим от трансформатора, мы сейчас и займемся.

Предварительно еще обозначим:

Ri — сопротивление анод—нить лампы.

Rg — сопротивление сетка—нить лампы,

n — коэффициент трансформации (передаточное число), т.-е. отношение числа витков вторичной обмотки к первичной.

С первого взгляда на схему рис. 2 кажется ясным, что коэффициент трансформации желательно иметь возможно большим. В самом деле, чтобы получить большее усиление, переменное напряжение Eg2, даваемое вторичной обмоткой трансформатора на сетку второй лампы, должно быть возможно большим, а этого можно достичь только большим коэффициентом трансформации, т.-е. вторичная обмотка 2 должна иметь во много раз большее число витков, нежели первичная.

В действительности же это не так, так как кроме требования возможно большего напряжения на вторичной обмотке мы должны еще, для получения наибольшей мощности, соблюсти вполне определенные соотношения между данными лампы и трансформатора. Для идеального трансформатора (т.-е. тp-pa без потерь и утечек) наивыгоднейший, «идеальный» коэффициент трансформации выражается формулой

При таком коэффициенте трансформации мы наиболее полно используем лампу, и при подобранном по этой формуле коэффициенте трансформации мы получаем наибольшее общее усиление на каскад, выражаемое формулой:

Формула 1 показывает, что выгодно иметь сопротивление сетка—нить лампы возможно большим, так как, чем больше Rg, тем больше n и, следовательно, тем больше усиление напряжения Eg2 / Eg1.

Отсюда видно, что очень важно соблюсти хорошую изоляцию между ножками лампы, так как это сопротивление утечки между ножками входит в Rg и имеет величину, примерно, того же порядка (1—10 мегом), что и сопротивления сетка—нить внутри лампы. Последнее же сопротивление можно, до известного предела (определяемого наличием остатков газа в лампе), сделать весьма высоким, задавая отрицательный потенциал на сетку, что полезно также и из других соображений (например, уменьшение искажений).

В качестве примера рассмотрим лампу Р5, имеющую данные (приблизительно):

µ = 11, Rg = 10⁶ ом, Ri = 40.000 ом.

По формуле I наивыгоднейший коэффициент трансформации должен быть:

а получаемое при этом усиление напряжения по формуле II будет равно:

Практически же, коэффициент трансформации берется меньше своего идеального значения, и, соответственно, усиление получается меньше.

Дело в том, что первичная обмотка трансформатора должна иметь, из условия большого и равномерного усиления, вполне определенное индуктивное сопротивление, определяемое числом ее витков. Число же витков вторичной обмотки ограничено практическим пределом, выше которого резко начинает сказываться влияние распределенной емкости витков обмотки. Поэтому приходится прибегать к компромиссу, т.-е., имея заданную условиями равномерного усиления первичную обмотку, выбирают такой коэффициент трансформации, чтобы число витков вторичной обмотки не дошло до предела, когда начинает сильно сказываться распределенная емкость обмотки.

Практически это отношение обмоток берется в пределах от 1:2 до 1:5, и только изредка это отношение может быть сделано больше.

Рис. 3. Кривая зависимости усиления от частоты для тр-ра с отношением витков 1:5.

Чем же определяется первичная обмотка? Посмотрим на рис. 3, где показана нормальная кривая зависимости усиления от частоты подводимого тока для трансформатора с отношением витков 1:5; по оси абсцисс отложена частота в пер./сек., а по оси ординат — усиление напряжения. Из кривой видно, что на разных частотах мы получаем разное усиление; наибольшее усиление мы получаем при частоте около 1.500 пер./сек., частоты ниже 500 пер./сек. усиливаются очень слабо. Ясно, что тр-р с такой кривой усиления не годится для усиления звуковой частоты — человеческой речи и музыки, диапазон частот которых, обычно, равен от 100 до 4.000 пер./сек., так как звуки разной высоты тона будут разно усиливаться, речь будет искажена (выкрики на высоких тонах и «провалы» на низких). Как увидим дальше, форма кривой усиления зависит от числа витков (самоиндукции) первичной обмотки.

Кривые рис. 4 показывают зависимость усиления напряжения от индуктивного сопротивления первичной обмотки ненагружепного тр-ра (так наз. реактанц холостого хода) для разных величии коэффициента трансформации n и Rg. Из этих кривых видно, что для низких значений реактанца холостого хода (небольшое число витков) усиление напряжения очень мало и может быть даже меньше усилительной постоянной лампы; с увеличением реактанца увеличивается и усиление, но до известного предела, выше которого дальнейшее увеличение реактанца мало увеличивает усиление, и, следовательно, прямо не выгодно.

Рис. 4. Зависимость усиления от индуктивного сопротивления первичной обмотки. Данные для этих кривых:

Ri = 10000 ом.; µ = 6
для кривой А — n = 4	Rg = 250.000 ом.
""    ""      B — n = 5
""    ""      C — n = 3	Rg = 1.000.000 ом.
""    ""      D — n = 4

Практически индуктивное сопротивление первичной обмотки берется в 1—2 раза больше сопротивления Ri анод—нить лампы; этому индуктивному сопротивлению соответствует коэффициент самоиндукции около 8 генри (около 4.000 витков).

Эти кривые показывают также выгоду большого сопротивления сетка—нить лампы (сравни кривые A B и С D). Кривые А и В показывают, что нет большого смысла особенно гнаться за большим коэффициентом трансформации: усиление, даваемое тр-ром В (коэффицнент трансформации равен 5), лишь немного больше, чем у тр-ра А с коэффициентом трансформации, равным 4.

Если мы теперь посмотрим на кривые рис. 5, то увидим, что большое индуктивное сопротивление первичной обмотки необходимо также для равномерного усиления при разных частотах. Эти кривые изображают зависимость усиления от частоты при разных данных тр-ра, коэффициентах самоиндукции и лампы. Из этих кривых ясно видно, что: 1) при низких частотах усиление может быть очень мало, 2) усиление тем более равномерно, чем больше самоиндукция первичной обмотки (сравни кривые С и А).

Рис. 5. Зависимость усиления от частоты при различных коэффициентах самоиндукции L первичной обмотки. Данные для этих кривых:

Ri = 10000 ом.; µ = 6, n = 4.
	генри
для кривой А — L	= 2	Rg = 250.000 ом.
""    ""      B — L	= 5
""    ""      C — L	= 10
	генри
для кривой D — L	= 2	Rg = 1.000.000 ом.
""    ""      E — L	= 5
""    ""      F — L	= 10

Из этого следует, что тр-ры для усилителя, предназначенного для работы на большом диапазоне частот (напр., для усиления речи и музыки), должны иметь большую самоиндукцию первичной обмотки, чтобы усилительное действие было бы приблизительно одинаково на всем диапазоне частот; в противном случае низкие частоты будут меньше усиливаться и, следовательно, речь будет искажаться.

Трансформатор с коэффициентом самоиндукции первичной обмотки в 10 генри, как видно из его кривой С, довольно близко удовлетворяет условиям равномерного усиления на участке звуковых частот. Более высокий коэффициент самоиндукции не даст заметного выигрыша ни в величине усиления, ни в равномерности усиления разных частот, в виду увеличения вредного влияния распределенной емкости и утечки.

Эти кривые также показывают выгодность для хорошего усиления большой величины сопротивления сетка—нить лампы (сравни кривые F и С).

Если мы теперь соберем в сводку все полученные выше выводы, с некоторыми необходимыми добавлениями относительно сердечника, то получим основы конструирования трансформаторов низкой частоты.

Сердечник. Сердечник должен состоять из мягкого железа с большой магнитной проницаемостью, что необходимо для уменьшения потерь на перемагничнвание (гистеризис) и для получения высокого индуктивного сопротивления первичной обмотки. Для уменьшения вихревых токов (токов фуко), железо трансформатора должно быть возможно больше разделено, в виде тонких пластин или проволок. Сердечник должен быть хорошо замкнут, магнитные утечки — по возможности малы; наиболее употребительная форма сердечника — это «тройник» (в виде «Ш»). Об’ем железа нужно брать возможно меньше, так как потери в железе пропорциональны об’ему.

Обмотки. Для равномерного и большого усиления первичная обмотка должна иметь коэффициент самоиндукции в 8—10 генри, чему соответствует, примерно, 4.000 витков.

Главным затруднением при выполнении обмоток является распределенная емкость витков (порядка 100 см.), так как эта емкость как бы приключена параллельно виткам обмотки; этим уменьшается кажущееся сопротивление той или другой обмотки и, следовательно, уменьшается усиление.

Рис. 6. Правильное устройство выводов от обмоток.

Для уменьшения этой вредной емкости, между рядами обмотки иногда прокладываются изолирующие прокладки (бумага, напр.). Этим ряды обмотки как бы отодвигаются друг от друга и, следовательно, емкость между ними уменьшается. Уменьшению распределенной емкости также содействует рациональное устройство выводов от обмотки, например, по рис. 6.

Коэффициент трансформации. Коэффициент трансформации обычно берется не более 4—5. Для входного тр-ра коэффициент трансформации может быть иногда больше, до 10. Для тр-ров любительского изготовления нельзя советовать коэффициент трансформации больше 3, так как малоемкостная намотка большого числа витков вторичной обмотки при большом коэффициенте трансформации (около 20.000 витков) — любительскими средствами невыполнима и усиление при плохой намотке с большой распределенной емкостью можно получить значительно меньше, чем при меньшем коэффициенте трансформации.

Лампа. Как мы выше видели, очень выгодно иметь лампу с большим сопротивлением сетка—нить (Rg). Впрочем, очень высокое сопротивление сетка—нить придает иногда усилителю склонность к самовозбуждению (генерированию паразитной частоты); усилитель воет, свистит.

Особое внимание нужно обращать на хорошую изоляцию между ножками лампы, между гнездами лампового цоколя, между выводными клеммами трансформатора. Эти паразитные сопротивления (утечки), как бы приключенные параллельно сетке—нить, нагружают вторичную обмотку, бесполезно тратя энергию. Общее сопротивление всех этих утечек должно быть не меньше 4—10 мегомов.

Механические требования. Кроме вышеприведенных электрических требований, тр-р должен еще удовлетворять некоторым механическим требованиям, т.-е. он должен быть надежно собран и хорошо закреплен. Необходимо обеспечить неповреждаемость выводов (они делаются из более толстого провода) и удобство приключения к ним — помощью клемм.

(Продолжение следует).