С. Н. Ржевкин
На рис. 3 была показана характеристика, снятая при напряжении на аноде 80 v. Если снять характеристики при 60 v на аноде, то оказывается, что она будет иметь совершенно ту же форму, как и про 80 v, но будет лежать правее первой, так, как-будто весь чертеж был сдвинут, примерно, на 3 v вправо (рис. 4).
Характеристика при 40 v на аноде будет сдвинута еще дальше вправо. Наоборот, если снять характеристику при 100 v, то она будет сдвинута, примерно, на 3 v влево; при 120 v сдвиг влево будет уже на 6 v. Замечательно, что наибольшая величина тока, получающаяся при положительном потенциале сетки, будет все та же, какое бы напряжение на аноде мы ни взяли.
Достаточно, однако, чуть-чуть (на 2—3 сотых ампера) увеличить посредством реостата ток накала, чтобы характеристика значительно изменилась. Начальная ее часть, лежащая при отрицательных потенциалах сетки, остается без изменений, но наибольший ток, который раньше достигался при +10 v, теперь получится только при +20 v и будет гораздо больше по величине (рис. 5). При дальнейшем увеличении потенциала сетки сила тока остается неизменной. Чем об'яснить это увеличение наибольшего тока в цепи анода? Накаленная нить излучает тем большее количество электронов, чем больше ток накала, т.-е. чем выше ее температура. Наибольший ток получается в цепи анода тогда, когда все излучаемые нитью электроны достигают анода; этот ток называется током насыщения. При данном накале нельзя получить большего тока, чем ток насыщения, так как все количество носителей электричества — электронов, уже использовано. При повышении накала количество излучаемых электронов гораздо больше, и соответственно с этим увеличивается ток насыщения.
Почему же ток насыщения получается только при определенной величине положительного потенциала на сетке и почему этот потенциал больше при сильном накале? Чтобы понять это обстоятельство, обратим внимание, что вся масса электронов, вылетающих из нити и идущих к аноду, представляет из себя скопление отрицательно заряженных частиц, как бы электронное облако. Каждый новый вылетающий электрон испытывает со стороны всей этой массы уже раньше вылетевших электронов отталкивание, со стороны же сетки, заряженной положительно, — притяжение. Ясно поэтому, что при сильном накале придется приложить на сетку значительный потенциал, чтобы протолкнуть все вылетающие из нити электроны через толщу электронного облака. Ток насыщения при сильном накале получится при более высоком потенциале сетки, чем при слабом накале. При малых потенциалах сетки все электроны не могут прорваться через заграждение, — они отталкиваются электронным облаком обратно, падают на нить и не принимают участия в переносе тока через пустоту. Анодный ток имеет поэтому тем меньшую величину, чем меньше потенциал сетки.
Анодный ток может проходить при нулевом и даже при отрицательном потенциале сетки. Из рис. 4 видно, что при 0 на сетке анодный ток тем больше, чем выше потенциал анода. Значит, анодный потенциал также влияет на силу тока. Но анод дальше от нити, чем сетка, и, кроме того, нить загорожена сеткой от прямого действия анода; все это обуславливает значительно более слабое действие анодного потенциала, чем сеточного. Возьмем характеристику при 80 вольт, при 0 на сетке анодный ток равен 2,2 mA. При 60 вольт на аноде тот же ток получится при +3 вольта на сетке (см. рисунок 4.) Таким образом, уменьшение потенциала анода на 20 вольт будет иметь такое же влияние на анодный ток, как увеличение потенциала сетки на 3 вольта. Потенциал сетки действуст в 20 : 3, т.е. в 6,7 раза сильнее, чем потенциал анода. Ясно, что чем меньше сдвиг характеристики при изменении потенциала анода на 20 v, тем более сильно будет действие сетки по сравнению с анодом. Так, если бы какая нибудь другая лампа дала при уменьшении потенциала анода на 20 v сдвиг всего 1 v, то ясно, что сетка действовала бы в 20 : 1, то-есть в 20 раз сильнее, чем анод. Число, показывающее. во сколько раз изменение потенциала сетки действует на анодный ток сильней, чем изменение потенциала анода, называют коэффициентом усиления напряжения в лампе. В лампе с характеристиками на рис. 4 увеличение потенциала сетки на 3 v дает такое же действие, как уменьшение потенциала анода на 20 v, значит — увеличение на 1 v даст такое же изменение анодного тока, как изменение потенциала анода на 6,7 v; коэффициент усиления напряжения в этой лампе — 6,7. Опыт показывает, что коэффициент усиления напряжения тем больше, чем гуще сетка. Действительно, густая сетка заслоняет нить от действия анода, и потому действие изменений потенциала сетки гораздо сильней, чем изменение потенциала анода.
Итак, мы заключаем: чем гуще сетка, тем больше коэффициент усиления напряжения. Можно выразить ту же мысль и иначе: чем проницаемость сетки1) меньше (чем она гуще), тем коэффициент усиления напряжения больше. Отсюда еще не следует заключать, что лампа с самой густой сеткой даст наилучшее усиление переменных токов.
Пусть какие-нибудь слабые переменные токи, скажем, пришедшие издалека по двум проводам телефонные токи, подводятся к сетке и нити нашей катодной лампы (рис. 6). Эти слабые токи будут сообщать сетке небольшие переменные напряжения, заряжая ее то положительным, то отрицательным потенциалом. Пусть эти изменения потенциала составляют ±2,5 v.
При анодном напряжении 80 v, на рис. 3, мы найдем, что при —2,5 вольтах на сетке, в цепи анода пойдет ток 1,7 mA, а при +2,5 вольтах — ток в 2,7 mA. Полное изменение тока составит 1 mA. В телефоне, включенном в анодной цепи лампы, появится переменный ток с амплитудой в 0,5 mA. Если бы мы взяли другую лампу с более крутой характеристикой, то ясно, что при тех же +2,5 v на сетке анодный ток изменялся бы на большую величину. Чем круче поднимается характеристика, тем большего усиления можно достичь. Включая трансформатор, повышающий напряжение (рис. 7), можно значительно увеличить размах колебаний напряжения на сетке. Пусть наш трансформатор дает изменения напряжения на сетке ±10 v. Изменение тока при этом получится около 4,2 mA. Если бы изменения напряжения были ±20 v, мы получили бы изменение тока то же в 4,2 mA. Крайние части характеристики левее —10 v и правее +10 v ничего не прибавляют к изменению анодного тока — они бесполезны для получения усиления. Причина этого лежит в малой крутизне характеристики в ее крайних частях.
Попробуем разорвать цепь сетки в точках A и B на рис. 6 и включим в разрыв добавочную батарею в 10 v плюсом к B и минусом к A; тогда сетка получит потенциал —10 v и колебания потенциала, пришедшие с линии, будут происходить в пологой начальной части характеристики в ту или другую сторону от —10 v и усиление будет очень мало. То же самое получится и при включении на сетку +10 v. Для усиления выгодней всего средняя, прямолинейная часть характеристики: здесь самая крутая часть характеристики и лучше всего используются большие размахи напряжения.
Кроме того, прямолинейная часть дает и другое важное преимущество: в прямолинейной части характеристики переменные токи передаются из цепи сетки в цепь анода, усиливаясь, но не искажаясь по форме. В самом деле, в средней части характеристики, при всяком возрастании или убывании напряжения на сетке, ток в цепи анода также возрастет или убавится на соответствующую величину. Говорят, что изменения анодного тока пропорциональны изменениям потенциала сетки. Легко видеть, что в крайних частях характеристики этого уже не будет. Когда достигается ток насыщения, изменения потенциала сетки уже не вызовут изменения анодного тока, пропорциональности больше не будет. Благодаря этому обстоятельству кривая переменного тока будет лампой искажаться и вместе с тем исказится звук передаваемой речи.
Выше мы видели, что при густой (мало проницаемой) сетке сдвиг характеристики влево будет очень мал, вследствие чего вся характеристика будет лежать почти целиком в области положительных напряжений на сетке. Следовательно, при использовании такой лампы для усиления, мы будем работать в начальной, пологой части характеристики и получим, как указывалось раньше, малое усиление. Густая сетка хотя и дает большой коэффициент усиления напряжения, но заставляет нас работать в невыгодной пологой части характеристики. Вот почему увеличение густоты сетки полезно лишь до известного предела. Практически сетка в усилительных лампах делается довольно редкая и коэффициент усиления напряжения берется от 5 до 8.
Не надо думать, однако, что крайние части характеристики совсем бесполезны. Мы только что видели, как в этих частях получаются искажения переменного тока. Эти искажения можно использовать в нашу пользу. Соберем схему (рис. 8), предназначенную для использования лампы как детектора. В этой схеме, в цепь сетки включается батарея элементов напряжением в 10 v, как указано на рис. 8. Наложив, таким образом, на сетку —10 v, и работая, следовательно, на нижнем изгибе характеристики (см. рис. 3), мы получим, при наложении отрицательной полуволны колебаний высокой частоты, лишь очень мало измененную силу анодного тока; ток спадет не больше чем до нуля; при положительной полуволне ток, наоборот, сильно возрастет. На рис. 9 показан ряд затухающих волн (a), принимаемых антенной; ниже показано, какую форму будет при этом иметь ток в анодной цепи (b) и, наконец, какие колебания получит мембрана телефона (c). Читатель видит, что лампа сделала для нас совершенно то же, что и кристаллический детектор. Каждая серия затухающих колебаний даст в телефоне один толчок мембране, а ряд ритмических толчков создаст звук.
На верхнем изгибе характеристики лампа также может работать как детектор, для чего нужно дать на сетку добавочный положительный потенциал, включив батарею плюсом к сетке, но это оказывается невыгодно. При добавочном положительном потенциале, в цепи сетки идет значительный ток и, благодаря этой утечке, колебания не могут создать на сетке значительных изменений потенциала — детекторное действие слабо.
1) Обозначим коэффициент усиления напряжения буквой К, тогда величина 1/К = D будет характеризовать проницаемость сетки. Умножив это число на 100, мы можем выражать проницаемость в процентах.
