КОНЕЧНАЯ ступень усиления должна подводить к громкоговорителю без искажения возможно большую мощность переменного тока. Но это возможно лишь в том случае, если анодное и сеточное напряжение выбрано так, что соблюдены условия использования лампы без искажения.
Ли де Форест и М. Арденне.
Условия использования лампы совершенно без искажений выполняются тогда, когда для некоторой данной
критической частоты, подводимой к громкоговорителю, переменный анодный ток достигает своего наибольшего значения при
амплитудах переменного сеточного напряжения, еще не лежащих в области сеточного тока. Наибольшее значение анодного
переменного тока можно взять из характеристики лампы; на рис. 1 приведена характеристика лампы которую можно считать
совершенно прямолинейной в отмеченных пределах от Ia1 до Ia2. Максимальный переменный ток не будет
искажен, если рабочую точку взять как-раз в середине этого участка, т.-е. при Ia. Наибольшее значение этого
неискаженного переменного тока тогда будет равна
Рис.1. Ia1 — наибольшее значение неискаженного тока.
Чтобы получить представление о динамических соотношениях в последней ступени, нужно поближе познакомиться с тем влиянием, которое оказывает индуктивный громкоговоритель1) на нагрузку анодной цепи.
Рабочая характеристика, как известно, при чисто омической нагрузке есть прямая линия, крутизна которой больше или меньше, в зависимости от отношения анодного сопротивления к внутреннему сопротивлению лампы. Если же в анодной цепи имеем не только чисто омическую, но также индуктивную или емкостную нагрузку, то между напряжением на сетке Eg и анодным током Ja существует сдвиг фаз. Рабочая характеристика в этом случае представляет собою эллипс, который в зависимости от величины сдвига фаз имеет больше или меньше растянутую форму. При индуктивных громкоговорителях последняя лампа нагружена обыкновенно самоиндукцией L (обмотка громкоговорителя) и действительным сопротивлением RA. Действительное сопротивление RA разбивается на чисто омическое сопротивление обмоток катушек RA и рабочее сопротивление Rb. Рабочее сопротивление Rb со своей стороны зависит от частоты и состоит из сопротивления, обусловленного потерями в железе Ra1 и полезного сопротивления Ra2, вызываемого реакцией колеблющихся частей системы громкоговорителя. Это сопротивление Ra2 при плохом электроакустическом к. п. д. обычных громкоговорителей очень мало по сравнению с другими сопротивлениями громкоговорителя. Поэтому при многих последующих рассуждениях значением Ra2 можно принебречь. Там же, где это пренебрежение недопустимо, например, при исследованиях зависимости последней ступени усиления от частоты, там мы будем давать этому сопротивлению некоторое среднее значение. Точного значения для Ra2 дать нельзя, так как эти сопротивления значительно отличаются одно от другого у разных типов громкоговорителей, и, кроме того, сильно зависят от частоты.
Какое влияние оказывает даваемая громкоговорителем нагрузка анодной цепи на ход рабочей характеристики, ясно видно из рис. 2, на котором изображены динамические характеристики последней лампы, рассчитанные для разных частот при данных величинах сопротивлений. Чаще всего нет необходимости точно знать течение эллиптической рабочей характеристики. Во многих случаях совершенно достаточно считать за рабочую характеристику диагональ прямоугольника, заключающего в себе эллипс. Крутизна этой диагонали, принимаемой за идеальную рабочую характеристику, выражается так:
и у тех (индуктивных) громкоговорителей, собственной емкостью которых можно пренебречь:
У индуктивных громкоговорителей по этой формуле крутизна уменьшается с растущей частотой. Чтобы удовлетворить всем условиям использования лампы совершенно без искажения, нужно требовать, чтобы для критической частоты идеальная рабочая характеристика шла как-раз через точку, являющуюся последней точкой прямолинейного участка характеристики анодного тока, которая дается с одной стороны, значением тока Ia1, а с другой — напряжением, при котором начинается заметное протекание сеточного тока, т.-е. приблизительно нулевым значением сеточного напряжения. На основании элементарных математических вычислений получается из этого правила следующее простое выражение для величины напряжения источника анодного тока:
В этом уравнении K есть некоторое поправочное напряжение, введенное для того, чтобы можно было пользоваться линейной зависимостью для анодного тока.
K легко можно получить из ламповой характеристики (см. рис. 1 и 2). [R] которое входит также и в уравнение (1) обозначает абсолютное значение всех сопротивлений цепи лампы. В специальном случае индуктивного громкоговорителя уравнение (3) напишется в таком виде:
Приведенная формула, которая очень легко об'ясняется, говорит о том, что напряжение источника анодного тока должно быть выбрано так, чтобы оно по меньшей мере (если последняя лампа должна быть использована совместно с определенным громкоговорителем) покрывало поправочное напряжение К, падение напряжения от постоянного тока в омических сопротивлениях Ri и Ra и падение напряжения от переменного тока в сопротивлении переменному току [R].
Как следствие, из приведенной выше формулы, получаем следующую физическую зависимость: напряжение источника анодного тока при индуктивных громкоговорителях должно быть тем больше, чем больше та частота, которую принимают за предельную при расчете. Если мы будем принимать за критическую частоту при расчете высшую в области слышания частоту в 10.000 пер., то при всех остальных обычных значениях мы получим чрезвычайно высокие значения для анодного напряжения. На самом же деле в основание расчетов приходится класть частоты, лежащие гораздо ниже, потому что как в музыке, так и в разговоре интенсивность звуковых волн, а также и наибольшие амплитуды переменного напряжения лежат как-раз в середине области слышания человеческого уха.
На основании измерений, которые были произведены при приёме музыки и разговора, можно было убедиться, что амплитуды переменного сеточного напряжения при частоте немного выше 800 периодов, падают гораздо быстрее, чем крутизна идеальной характеристики. Поэтому нет оснований опасаться, что рабочая точка при частотах более 800 периодов попадет в область положительных сеточных напряжений. Частота в 800 периодов может быть поэтому при индуктивных громкоговорителях, при выборе анодного напряжения считаться критической частотой. Могут иметь место и другие соотношения у индуктивных громкоговорителей с параллельной емкостью и у емкостных громкоговорителей, но на этом мы здесь останавливаться не будем. Из уравнения (3) при помощи соотношения:
получается следующая формула для определения необходимого предварительного сеточного напряжения:
В это уравнение, как этого требует изложенное выше, нужно в выражение для [R] вставить частоту в 800 периодов. Для последней усилительной лампы, которая была исследована при работе на громкоговоритель, и характеристики которой даны на рис. 2, при остальных величинах, согласованных с обычными, получаем из расчета необходимое анодное напряжение в 374 вольт. Из этого же рисунка можно получить величину предварительного сеточного напряжения, которое требуется для достижения максимальной мощности. Отсюда же можно узнать, какое влияние на наклон рабочей характеристики оказывает омическая составляющая анодного сопротивления.
Рис. 2. Динамические характеристики при индуктивной нагрузке.
Как уже видно из уравнения (3) напряжение источника анодного тока должно быть увеличено соответственно падению в омическом сопротивлении нагрузки анодной цепи. Омическое сопротивление громкоговорителя всегда дается и едва ли может быть уменьшено в том случае, когда требуется достаточно большое полезное сопротивление. Тем не менее, чтобы не брать анодное напряжение излишне большим, рекомендуется применять дроссельную установку, при которой постоянная слагающая анодного тока пройдет через дроссель с маленьким омическим, но большим индуктивным сопротивлением, а переменный ток подойдет к громкоговорителю через достаточно большой конденсатор. Эта дроссельная установка в последней ступени выгодна не только по этой причине, но она даже необходима при всех современных громкоговорителях, так как защищает их от могущего произойти размагничивания. При последующих ниже исследованиях конечных ступеней усиления везде предполагается существование такой дроссельной установки, омическим сопротивлением которой можно пренебречь.
Имея приведенную выше формулу для необходимого анодного напряжения, можно ответить на целый ряд интересных вопросов, касающихся конечного усиления.
Часто нагружают последнюю лампу не одним, а двумя однотипными громкоговорителями и тогда через каждый громкоговоритель протекает ток, равный половине того, который прошел бы по нему, если бы он был включен один. При включении единственного громкоговорителя полезная мощность будет:
Наибольшее значение переменного анодного тока лампы, который протекает через оба параллельно включенных громкоговорителя, будет, конечно, такое же; но полезное сопротивление при параллельном включении уменьшится вдвое. Далее:
Отсюда следует, что при параллельном включении двух громкоговорителей отдаваемая им лампой полезная
мощность, уменьшаемая2) на половину против мощности, забираемой от лампы одним
громкоговорителем. Одновременно, как показывает уравнение (5), конечно, падает и предварительное сеточное
напряжение, а вместе с ним необходимое для полного питания переменное сеточное напряжение. Эти соотношения для одного и
для двух параллельно включенных громкоговорителей уясняются характеристиками, данными на рис. 3. Для использованных
здесь ламп (здесь были употреблены две параллельно включенные лампы Philips.
Рис. 3. Динамические соотношения при работе лампы на один (I) и на два параллельно включенных громкоговорителя (II).
При последовательном включении громкоговорителей эти соотношения получаются обратными. В этом случае полезное сопротивление увеличивается и одновременно растут в соответствующей степени и другие сопротивления. Следствием из этого является то, что при последовательном соединении громкоговорителей полезная мощность увеличивается, но одновременно, как это показывают уравнения (3а), повышается и анодное напряжение. Отсюда следует, что полезная мощность очень маленьких ламп может быть увеличена, если анодное сопротивление и соответственно ему анодное и сеточное напряжения будут повышены. Из-за опасности высоких напряжений, а также из-за того, что последние усилительные лампы безвредно переносят напряжения лишь до определенной, зависящей от типа лампы, величины, этот способ повышения мощности часто не употребляется. В большинстве же случаев можно стремиться к тому, чтобы добиться большой переменной мощности при маленьком анодном напряжении.
Маленькие усилительные лампы последней ступени, работающие на данный громкоговоритель, требуют соответственно низких анодных напряжений. Но, как только (что делается для получения больших мощностей) несколько ламп соединяется параллельно, опять приходится прибегать к высокому анодному напряжению, как это ясно видно из уравнения (3а). Выражение для требуемого анодного напряжения, при включении маленьких ламп параллельно, будет такое:
На рис. 4 для примера даны характеристики для одной лампы и для двух параллельно включеннных. Если судить только по статической характеристике, то для полного использования лампы этого типа достаточно лишь анодного напряжения в 120 вольт. Если же лампа должна быть использована совместно с громкоговорителем, то согласно формулы (3), напряжение для источника анодного тока должно быть около 296 вольт. Пока не требуется больших усилений, последнюю ступень смело можно выполнить с одной лампой, к которой относятся характеристики рис. 4. Когда же требуются большие мощности переменного тока, тогда нужно включить параллельно две лампы одного и того же типа. Требуемое анодное напряжение в этом случае значительно повышается, в примере рис. 4 оно достигает 475 вольт. Обе параллельно включенные лампы ведут себя так же, как одна, соответственно увеличенная лампа. Отсюда следует, что и при параллельном включении ламп, но при маленьком анодном напряжении нельзя добиться значительного увеличения мощности. Только тогда, когда рабочее напряжение будет повышено соответственно выше приведенному уравнению, увеличивается при параллельном включении n ламп их максимальная мощность в n2 раз.
В связи с этим, особый интерес заслуживает сравнение анодных мощностей двух последних ступеней усиления, из которых одна образована одной лампой и одним громкоговорителем, а другая двумя параллельно включенными лампами и двумя параллельно включенными громкоговорителями. Для сравнения даны кривая II рис. 4, которая соответствует двум, параллельно включенным лампам при двух громкоговорителях, и кривая II, рис. 3, относящаяся к одной лампе при одном громкоговорителе, в обоих случаях определены рабочие напряжения; полезная мощность n параллельно включенных ламп при n, параллельно включенных промкоговорителях выразится так:
Отсюда следует, что, благодаря параллельному включению некоторого количества ламп и параллельному включению стольких же громкоговорителей (т.-е. употреблении одного громкоговорителя с уменьшенным сопротивлением), можно увеличить полезную мощность, а вместе с ней и звуковую мощность, не повышая при этом ни анодное, ни сеточное напряжение.
Рис. 4. Параллельное включение ламп.
Выводом из всего вышесказанного, подтвержденного уравнениями, является следующее общее правило, которое, понятно, непосредственно. Требующееся напряжение источника анодного тока тем меньше и подводимая к громкоговорителю мощность тем больше, чем меньше внутреннее сопротивление ламп последней ступени усиления. Как известно, внутреннее сопротивление лампы можно снизить увеличением ее проницаемости. В последних ступенях усиления, где уже не стремятся к усилению напряжения, можно прибегать к проницаемости D = 40%. Конечно, при таких больших значениях проницаемости должны быть соответственно увеличены и подводимые переменные сеточные напряжения, а также соответственно соразмерены и предыдущие ступени усиления напряжений. Подставляя в уравнение (6) для полезной мощности значение анодного тока лампы, мы получим для индуктивных громкоговорителей следующее выражение:
Это уравнение показывает, что если полезная мощность должна быть неизменной, то Еg должно быть уменьшено или увеличено пропорционально изменяющемуся D.
Рис. 5. Зависимость Ln/Ra2 от частоты.
Из приведеного здесь уравнения вытекает зависимость полезной мощности у индуктивных громкоговорителей от частоты. Зависимость полезной мощности или, скорее, отношения Ln/Ra2 от частоты при Еg = 1 вольт для данного индуктивного громкоговорителя и типа лампы, представлены на рис. 5. При высоких частотах снижению кривой соответствует падение мощности почти пропорционально второй степени частоты. Ясно, что электрическая зависимость от частоты в последней ступени чрезвычайно велика. Уже выше упоминалось, что Ra2 непостоянно. Полезное сопротивление возростает в грубом приближении почти пропорционально второй степени частоты. В области высших частот при одинаковых амплитудах сеточных переменных напряжений звуковые амплитуды остаются также постоянными. Следствием зависимости полезного сопротивления от частоты является то, что при малых частотах сила приема падает. Как показывает рис. 5, низкие тона тем лучше передаются, чем меньше внутреннее сопротивление лампы. Когда говорится, что полезное сопротивление возрастает пропорционально второй степени частоты, то это считается очень приближенным. Кроме того, у обыкновенных общеупотребительных громкоговорителей, величина самоиндукции обмоток которых мало отличается от их омического сопротивления, кривые для полезного сопротивления так значительно отклоняются одна от другой, что в общем случае нельзя, в зависимости от частот дать для внутреннего сопротивления лампы какое-нибудь постоянное значение. Обычными громкотоворителями низкие тона передаются достаточно хорошо, (не ухудшая при этом и передачу высоких тонов), если лампа обладает внутренним сопротивлением 20003) омов.
Чтобы добиться во всей области звуковых частот, возможно меньшей зависимости от частоты, можно в последнюю ступень включить две лампы, из которых одна обладает маленьким, а другая большим внутренним сопротивлением, при чем каждая из них работает на свой отдельный громкоговоритель.
1) Под индуктивными громкоговорителями подразумеваются говорители с магнитной системой. (назад)
2) На мой взгляд, эта фраза должна звучать так: "при параллельном включении двух громкоговорителей отдаваемая им лампой полезная мощность уменьшается на половину против мощности, забираемой от лампы одним громкоговорителем". (Примечание составителя). (назад)
3) В тексте статьи напечатано: "внутренним сопротивлением I—2000 омов". (примечание составителя). (назад)