И. Н.
В зависимости от задач, которые возлагаются на трансформатор в усилителях низкой частоты, ему придаются те или иные свойства и конструктивные формы. В этом смысле трансформаторы в усилителях низкой частоты можно разделить на 3 группы:
1) входные, 2) межламповые, 3) выходные.
Входные трансформаторы применяются для подачи на сетку первой лампы электрических колебаний низкой частоты, проходящих от микрофона, адаптера, с трансляционной линии или от кристаллического детектора и т. п. Межламповые трансформаторы служат для подачи колебаний, усиленных какой-нибудь лампой на сетку последующей лампы того же усилителя. Наконец, выходные трансформаторы, связывают анод последней лампы усилителя с «потребителем» усиленной энергии, например: с громкоговорителем, группой громкоговорителей, трансляционной линией и т. п. В качестве примера на рис. 1 изображена схема двухлампового усилителя на трансформаторах; здесь Тр1 — входной трансформатор, Тр2 — межламповый, Тр3 — выходной трансформатор.
В настоящей статье речь будет итти о межламповых трансформаторах, т. е. о тех, которые служат промежуточным звеном между двумя лампами усилителя.
Как известно, в качестве такого промежуточного звена между двумя лампами может служить не только трансформатор, но и сопротивление (усилитель на сопротивлениях) или дроссель (усилитель на дросселях).
На рис. 3 показаны эти 3 типа связей между лампами в усилителях (а — усилитель на сопротивлении, b — усилитель на дросселе, с — усилитель на трансформаторах). Во всех трех случаях на сетку первой лампы Л1 подаются электрические колебания низкой частоты. Постоянный ток, который до появления колебаний на сетке шел через анодную цепь этой лампы, начинает изменяться, то увеличиваясь, то уменьшаясь, следуя за колебаниями, подаваемыми на сетку: таким образом в анодной цепи первой лампы появляются кроме постоянного анодного тока еще переменный ток той же частоты, что и колебания на сетке, который носит название переменной составляющей анодного тока.
Во всех трех случаях в анодную цепь первой лампы включено какое-то сопротивление (омическое или индуктивное). Понятно, что переменная составляющая анодного тока первой лампы, проходя через это сопротивление, создает на нем некоторое падение напряжения V1. Это напряжение изменяется в такт с изменением напряжения на сетке первой лампы и действует на сетку второй лампы либо через конденсатор С (в случае a и b) либо (в случае с) через вторичную обмотку трансформатора (L2), индуктивно связанную с L1.
Детали, входящие в эти схемы и режимы ламп, должны быть подобраны тают образом, чтобы переменное напряжение, действующее на сетку второй лампы, во-первых, строго соответствовало по форме переменному напряжению, действующему на сетку первой лампы, — в противном случае получатся искажения. Во-вторых, по величине переменное напряжение на сетке второй лампы должно быть больше напряжения на сетке первой лампы, — в противном случае вместо усиления получится ослабление. Рис. 2 поясняет сказанное: пусть кривая а на этом рисунке изображает напряжения на сетке первой лампы, а кривые b, с и d — напряжения, получающиеся в различных случаях на сетке второй лампы. Тогда в случае b мы имеем неискаженное усиление, в случае c — искаженное усиление, а в случае d — ослабление сигналов.
Представим себе, что на сетку первой лампы действует переменное синусоидальное напряжение некоторой определенной частоты и амплитуды — eg1; предположим, что при этом на сетку второй лампы будет действовать амплитуда eg2, тогда отношение eg2 : eg1 мы будем называть коэффициентом усиления одного каскада и обозначать буквой K. Так, если в какой-либо схеме на сетку первой лампы подаются колебания с амплитудой eg1 = 0,1 вольта, а на сетке второй лампы амплитуда eg2 = 1 вольту, т. е. в 10 раз большая, то у данного каскада коэффициент усиления равен 10. Конечно, одно из основных требований, предъявляемых к усилителю, это большой коэффициент усиления, но не менее важным требованием является также и отсутствие искажений.
Искажения в усилителях могут быть двоякого характера. Так, если при подаче на сетку первой лампы чистой синусоиды на сетке второй лампы получится кривая, отличающаяся от синусоиды, то мы имеем дело с искажениями формы кривой. Эти искажения происходят главным образом от неправильного выбора режима первой лампы, т. е. участка характеристики, на котором идет работа анодного напряжения, смещения на сетке и чрезмерно больших амплитуд переменного напряжения на сетке первой лампы.
Другой тип искажений — это искажения частотные, заключающиеся в том, что данный каскад по разному усиливает разные частоты. Положим, что мы будем подавать на сетку первой лампы колебания различных частот всякий раз с амплитудой eg1 = 0,1 вольта. Если при этом на сетке второй лампы любая частота даст одну и ту же амплитуду, например, eg2 = 0,5 вольта, то такой каскад не будет иметь частотных искажений — для всех частот получаем здесь один и тот же коэффициент усиления K = 5.
Если же в нашем усилителе более низкие частоты будут усиливаться лучше, чем высокие, то этот усилитель будет подчеркивать низкие тона, он будет «басить». Наоборот, если коэффициент K будет возрастать с увеличением частоты, то усилитель будет повышать тембр. Бывает так, что в усилителе особенно резко выделяется некоторая определенная полоса частот. Все это дает значительные искажения при передаче музыки и речи.
Звук человеческого голоса представляет собой определенное сочетание колебаний различных амплитуд и частот. Понятно, что усилитель, по-разному усиливающий разные частоты, нарушит естественное сочетание, и поэтому при передаче человеческого голоса получим искажения тембра и невнятность речи. Музыка и человеческая речь охватывают частоты от нескольких десятков колебаний в секунду до нескольких тысяч колебаний в секунду и в идеальном случае на всем этом диапозоне частот усилитель должен был бы давать один и тот же коэффициент усиления К.
На рис. 4 показаны различные частотные характеристики одного каскада усилителя. Кривая 1 представляет идеальную частотную характеристику усилителя — все частоты усиливаются одинаково. Коэффициент К постоянен. На кривой 2 высокие частоты усиливаются больше низких: К увеличивается с повышением частоты. Кривая 3 дает ослабление высоких и низких частот по сравнению с средними частотами. На кривой 4 имеем резкое усиление частот порядка 1 000 колебаний в секунду.
Усилитель на сопротивлениях сравнительно легко сконструировать таким образом, чтобы он почти не давал частотных искажений. Зато он дает сравнительно небольшой коэффициент усиления К. Поэтому усилитель на сопротивлениях применяется во всех случаях, когда нужно получить большую частоту передачи при небольшом усилении. Усилитель на трансформаторах дает большее усиление, но зато построить трансформатор, который бы не давал частотных искажений, — задача трудная.
Для того чтобы ответить на вопрос, каким должен быть хорошо работающий межламповый трансформатор, надо разобраться, как работает трансформатор вообще.
На рис. 5 представлен трансформатор в схематическом виде. Железный сердечник а несет на себе 2 обмотки. Та обмотка, к которой подводится напряжение, называется первичной (I); обмотка, с которой снимается трансформированное напряжение, называется вторичной (II). Обозначим самоиндукцию первичной обмотки буквой L1 и число ее витков n1; соответственно обозначим самоиндукцию вторичной обмотки L2 и число ее витков — n2. Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной, т. е. число, показывающее, во сколько раз число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной обмотки, обозначим буквой k. Так, если во вторичной обмотке 4 000 витков, а в первичной обмотке 1 000 витков, то в данном случае
| k = | 4000 | = 4. |
| 1000 |
Если при разомкнутой вторичной обмотке к концам первичной обмотки приложить некоторое переменное напряжение, то через первичную обмотку пройдет некоторый ток, величина которого зависит от сопротивления первичной обмотки и главным образом от ее самоиндукции L1 и частоты переменного тока f. Проходя через первичную обмотку этот переменный ток создаст в сердечнике магнитные силовые линии — переменный магнитный поток, который пересекает витки как первичной, так и вторичной обмотки трансформатора. Как известно, переменный магнитный поток, пересекая обмотку, наводит в ней электродвижущую силу, которая тем больше, чем больше число витков в обмотке. В первичной обмотке этот поток наведет электродвижущую силу, примерно равную и обратную по направлению к напряжению, приложенному к первичной обмотке. Эта противоэлектродвижущая сила уравновешивает приложенное напряжение. Во вторичной же обмотке поток наведет электродвижущую силу во столько раз большую или меньшую, во сколько раз число витков во вторичной обмотке больше или меньше первичной.
Когда вторичная обмотка разомкнута, то ток по ней не течет, и ток, проходящий при этом в первичной обмотке, называется током холостого хода трансформатора.
Таким образом, если к концам первичной обмотки приложить некоторое переменное напряжение V1, то на зажимах вторичной обмотки получим некоторое большее или меньшее напряжение V2; отношение V2/V1 носит название коэффициента трансформации, который мы обозначим буквой u. В первом приближении можно считать, что u = k.
Если замкнуть вторичную обмотку (нагрузить) на некоторое сопротивление r (рис. 6), то напряжение V2 вызовет во вторичной цепи некоторый ток I2.
В нагруженном трансформаторе ток первичной обмотки больше, чем в случаях холостого хода. С увеличением I2 увеличивается и ток в первичной обмотке I1.
Потери в железе. Переменный магнитный ток, проходя через сердечник трансформатора, вызывает в железе изменения намагничивания; это периодическое перемагничивание железа сопровождается выделением тепла и требует от источника тока затраты некоторой энергии. Такие же потери энергии вызываются и токами Фуко, который индуктирует магнитный поток внутри железа. При неправильном устройстве трансформатора эти потери сопровождаются сильным нагревом железа трансформатора.
Рассеяние. Мы выше полагали, что магнитный поток проходит через все витки как первичной, так и вторичной обмотки. На самом деле это не так. Рис. 7 схематически показывает, как в действительности распределяется магнитный поток при наличии тока в первичной и вторичной обмотке. Большая часть потока (Ф1) действительно пересекает все витки. Но кроме того часть силовых линий (Ф2) охватывает только витки одной обмотки (да и то не все), не затрагивая витков другой обмотки. Мы ниже увидим, к каким результатам приводит наличие рассеяния в трансформаторах.
Внутренняя емкость. Нужно еще указать, что вторичная обмотка межлампового трансформатора обычно делается из большого числа витков тонкой проволоки. Между отдельными витками, конечно, существует некоторая емкость, которая при большом числе витков бывает очень заметна. Таким образом даже тогда, когда вторичная обмотка не нагружена на какое-либо сопротивление, трансформатор все же имеет нагрузку в виде внутренней емкости трансформатора. В сущности говоря, у такого трансформатора холостого хода нет, ибо даже при холостом ходе он оказывается нагруженным емкостью вторичной обмотки.
Для того чтобы легче ориентироваться в работе межлампового трансформатора, мы на время забудем о том, что в нем имеются потери, рассеяния и т. д. Разберем сначала, как будет работать идеальный трансформатор, т. е. такой, у которого нет потерь в железе, нет рассеяния, обмотки не обладают внутренней емкостью, а проволока, из которой намотаны витки, не обладает омическим сопротивлением.
Заметим еще следующее. Вторичная обмотка межлампового трансформатора включена между сеткою и нитью второй лампы (рис. 3с). Сетка—нить лампы обладает некоторым сопротивлением, ибо изоляция в цоколе, в гнездах, и монтаже не является идеальной и кроме того между сеткой и нитью внутри лампы, в зависимости от режима, может проходить больший или меньший сеточный ток. Таким образом вторичная обмотка трансформатора в ламповой схеме может оказаться нагруженной. Но мы для простоты рассуждения будем считать пока, что наш идеальный трансформатор не нагружен и работает в режиме холостого хода.
Рассмотрим теперь, как работает наш идеальный трансформатор в ламповой схеме (рис. 3с). Мы знаем, что при наличии на сетке первой лампы некоторого переменного напряжения переменная составляющая анодного тока, проходя через первичную обмотку трансформатора, создает на ней падение напряжения V1, благодаря чему во вторичной обмотке будет индуктироваться напряжение V2, которое подается на сетку второй лампы. Это напряжение будет в u раз больше, чем V1, где u есть коэффициент трансформации нашего трансформатора. Но весь вопрос в том, как велико это напряжение V1, создающееся на первичной обмотке?
Возьмем такой простой случай (рис. 8): на сетку лампы подается переменное напряжение eg1. В аноде этой лампы включено некоторое сопротивление Z (оно может быть омическим и индуктивным), например сопротивление, дроссель, трансформатор. Надо узнать, каково будет переменное напряжение V1 на этом сопротивлении. Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется пока принять на веру, что такую схему можно теоретически заменить (эквивалентной) схемой, изображенной на рис. 9. Другими словами, можно представить лампу в виде источника переменного напряжения с электродвижущей силой в µ раз большей, чем напряжение, подводимое на сетке этой лампы, причем µ — это усилительная постоянная лампы. Этот источник электродвижущей силы (которая, следовательно, равна µeg1), имеет внутреннее сопротивление, равное внутреннему сопротивлению лампы Ri, и нагружен на внешнее сопротивление Z 1.
Несколько слов о µ — усилительной постоянной лампы. Величина µ зависит от типа лампы; для разных типов она различна, но для данной лампы эта величина строго определенная; чем больше усилительная постоянная µ лампы, тем большее усиление можно от данной лампы получить. У лампы «Микро» µ = 12, у лампы УТ1 µ = 4, у лампы УТ16 µ = 20, и у лампы УТ15 µ = 9.
Ri тоже величина определенная для данной лампы и остается постоянной, пока работа лампы происходит на определенном участке характеристики. Величина Ri колеблется для разных типов ламп от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч ом.
Согласно вышеприведенному правилу, которое мы приняли только что на веру, схему усилителей на сопротивлениях, дросселях, трансформаторах, изображенных на рис. 3, а, b, с, можно соответственно изобразить эквивалентными схемами 10 а, b, с.
Обращаясь к рис. 9, нужно сказать, что электродвижущая сила µeg1, развиваемая лампой, распределяется между сопротивлением Ri и Z. Чем больше Z сравнительно с Ri, тем больше напряжение V1, которое падает на Z по сравнению с напряжением, теряющимся в Ri.
Из рис. 10 видно, что это напряжение мы подаем так или иначе на сетку следующей лампы. Надо стараться, чтобы это напряжение было по возможности больше по сравнению с тем, которое теряется во внутреннем сопротивлении лампы Ri. Другими словами, нужно, чтобы сопротивление Z, включенное в анод, было по возможности больше внутреннего сопротивления лампы Ri. Однако не имеет смысла делать сопротивление в анодной цепи Z больше известного предела, ибо при дальнейшем его увеличении выигрыш в усилении получается незначительный. Для пояснения сказанного обратимся к рис. 11.
Мы сейчас разберем кривые, изображенные на этом рисунке. На них надо обратить особое внимание, ибо они многое объясняют в работе различных типов усилителей. Кривая I относится к случаю, когда в анод включено чисто омическое сопротивление (усилитель с сопротивлением). Кривая II относится к случаю индуктивного сопротивления (усилитель с дросселем или с идеальным трансформатором). Цифры 1, 2, 3..., отложенные по горизонтальной прямой (ось абсцисс), показывают, во сколько раз мы берем Z больше чем Ri (т. е. отношение Z/Ri). Цифры 0,1, 0,2 и т. д., отложенные по вертикальной прямой (ось ординат), показывают, какая доля из общей электродвижущей силы µeg1, развиваемой лампой, приходится на долю Z. Из кривой I видно, что при:
| Z | = 1 (т. е. при Z = Ri) |
| Ri |
на долю Z приходится напряжение V1, равное только 0,5 от µeg1; если взять Z в 4 раза больше, чем Ri, то V1 уже = 0,8 от µeg1: очевидно, в усилителе на сопротивлении брать анодное сопротивление больше чем 4-кратное внутреннее сопротивление лампы не имеет смысла, ибо дальнейшее увеличение анодного сопротивления дает медленный подъем кривой.
В случае индуктивного сопротивления (например, первичная обмотка идеального трансформатора), если это сопротивление в 3 раза больше Ri, то на него приходится уже 0,95 от µeg1 (см. кривую II) и делать его большим не имеет смысла.
На основании этих рассуждений, мы можем как будто бы заключить, что в интересующем нас случае идеального ненагруженного трансформатора (рис. 10 с) надо сделать индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора достаточно большим, чтобы на ней легло напряжение V1, равное почти всему µeg1; тогда на вторичной обмотке получится напряжение V2 в u раз большее (где u коэффициент трансформации), чем V1. Возникает вопрос, что может помешать, нам сделать u очень большим и получить колоссальное усиление от одного каскада. На первый взгляд, так просто получить с трансформатором большое усиление. Но это только на первый взгляд...
Что такое индуктивное сопротивление?
Как известно: Z = ωL1, где ω = 2πf, то есть Z = 6,28fL1. Отсюда видно, что для разных частот оно различно, и с увеличением частоты оно растет. Следовательно и напряжение V1, падающее на первичной обмотке нашего трансформатора, будет различно для разных частот. При различных частотах, при одном и том же напряжении eg1 на сетке первой лампы — получим на трансформаторе разные напряжения. Следовательно, усилитель с трансформатором будет сильно выделять высокие тона и ослаблять низкие. Должны как будто получиться очень сильные искажения.
В действительности дело не так страшно. Успокоительные вести нам несет кривая II, рис. 11. Если бы мы сделали самоиндукцию первичной обмотки нашего идеального трансформатора настолько большой, чтобы ее сопротивление Z = 6,28fL1 при самых низких частотах было раза в 3 больше, чем Ri то при более высоких частотах хотя Z соответственно возрастет, но, как видно из указанной кривой, напряжение V1 будет дальше расти очень медленно. Разница в усилении низких и высоких тонов будет только порядка нескольких процентов, несмотря на изменение Z.
Итак, первое условие равномерного усиления на всех частотах (за исключением самых низких) в нашем случае — выбор достаточно большой самоиндукции первичной обмотки L1.
В дальнейшем, когда мы перейдем к рассмотрению действительных, а не идеальных условий работы трансформатора, мы увидим, что практически нельзя делать трансформаторы с слишком большим коэффициентом самоиндукции L1, и что поэтому приходится мириться с некоторым ослаблением низких тонов.
Что касается коэффициента трансформации, который, как казалось, нужно делать по возможности больше, то, как видно будет из дальнейшего, тоже имеются известные пределы, переходить за которые без ухудшения качества работы нельзя.
Каковы же итоги рассмотрения работы идеального трансформатора? Мы установили, что в любом типе усилителя для получения наибольшего усиления нужно получить по возможности большое падение напряжения V1 на сопротивлении Z, включенном в анодную цепь лампы.
В следующих статьях будет выяснено, насколько трудна задача — построить действительный трансформатор, который в смысле отсутствия частотных искажений был бы близок к тому, что дает хотя бы усилитель на сопротивлениях.
1 В эквивалентной схеме, рис. 9, отсутствует анодная батарея, ибо предполагается, что ее сопротивление сравнительно с Ri и Z ничтожно мало, тем более, что обычно эту батарею шунтируют большим конденсатором. (стр. 624.)