Основной частью всякого усилителя является электронная лампа. Она в сущности и представляет собой непосредственно усилитель, все же остальные элементы усилительной схемы служат только вспомогательными частями. Поэтому, приступая к изучению вопроса об устройстве усилителя и принципа его действия, мы должны предварительно познакомиться с усилительным действием лампы.
Если мы приложим к сетке трехэлектродной лампы, то есть между точками А и Б (рис. 1) некоторое напряжение, например Е, то под действием этого напряжения изменится сила анодного тока лампы. Если приложенное напряжение будет положительное, то ток увеличится. Если же приложенное напряжение будет отрицательное, то анодный ток уменьшится. Графически это действие сетки изображается уже знакомыми нам сеточными характеристиками (рис. 2), которые показывают, какова будет величина анодного тока (Iа) в лампе, если напряжение на сетке будет иметь данную величину Ес. Но величина анодного тока зависит не только от величины напряжения, приложенного к сетке, но и от величины анодного напряжения. Чем больше анодное напряжение, тем больше будет и анодный ток в лампе при одном и том же напряжении на сетке. Если мы увеличим анодное напряжение до 70 вольт, то есть прибавим 10 вольт, то при том же нулевом напряжении на сетке мы получим ток анода около 4 МА. Но такое же увеличение анодного тока до 4 МА мы можем получить и при прежнем анодном напряжении в 60 вольт, если приложим к сетке положительное напряжение в 2 вольта. Таким образом 2 вольта, приложенные к сетке, оказывают такое же действие на величину анодного тока, как и 10 вольт, приложенные непосредственно к аноду. Значит, напряжение, приложенное к сетке, действует в пять раз сильнее напряжения, приложенного к аноду. В таком случае говорят, что лампа обладает усилительной постоянной, равной пяти. Очевидно, что усилительная постоянная есть величина, обратная проницаемости. Величина усилительной постоянной зависит от конструкции лампы и для различных типов ламп бывает различна. Обычно для нормальных типов ламп она лежит в пределах от 5 до 15. Ниже мы выясним, какое значение имеет величина усилительной постоянной в вопросе об усилительном действии лампы.
То обстоятельство, что напряжения, приложенные к сетке, действуют сильнее, чем напряжения, приложенные к аноду, и позволяет использовать трехэлектродную лампу в качестве усилителя.
Действительно, если мы подведем к сетке лампы какие-либо электрические колебания, то вследствие изменения напряжений на сетке анодный ток также будет изменяться и в своих изменениях в точности следовать за колебаниями, подводимыми к сетке лампы. И вследствие того, что эти колебания подводятся к сетке лампы, изменения анодного тока будут гораздо более сильны, чем если бы мы подводили колебания непосредственно к аноду лампы. Включив лампу в соответствующую схему, можно в анодной цепи лампы получить точно такие же колебания напряжения, как и те, которые подведены к сетке лампы, но значительно усиленные. Таким образом трехэлектродная лампа может играть роль усилителя электрических колебаний. Необходимо только подвести эти колебания к лампе так, чтобы переменное напряжение этих колебаний действовало на сетку лампы, и включить лампу таким образом, чтобы изменения анодного тока в лампе могли бы быть использованы или для приведения в действие репродуктора или для последующего усиления в других лампах.
Тот принцип действия лампы как усилителя, который мы только что рассмотрели, очевидно в одинаковой степени относится как к усилению высокой, так и к усилению низкой частоты. Для лампы в сущности нет никакой разницы между колебаниями высокой и низкой частоты, так как и те и другие колебания являются медленными колебаниями по сравнению с теми скоростями, с которыми происходит процесс внутри лампы. Поэтому все различие между усилением низкой и высокой частоты будет заключаться не в самой лампе, а в тех внешних элементах, которые к лампе присоединены.
Как мы уже выяснили, для того, чтобы заставить лампу действовать в качестве усилителя, нужно сделать следующее: к сетке лампы подвести переменные напряжения и в анодную цепь лампы включить какую-либо нагрузку, на зажимах которой получились бы переменные напряжения при изменении силы анодного тока. Обе эти задачи решаются в сущности одинаково. И в цепи сетки и в цепи анода должны находиться такие элементы, которые представляли бы собой достаточное сопротивление для той частоты, для которой предназначается усилитель. Существует два основных типа сопротивлений, применяемых для указанных целей в ламповых усилителях. Это — омические и индуктивные сопротивления. В первом случае, когда используются омические сопротивления, мы имеем так называемый усилитель на сопротивлениях. Во втором случае, в зависимости от характера и способа включения применяемого индуктивного сопротивления, мы имеем усилители на дросселях или на трансформаторах. К этой же группе можно отнести и стоящие несколько особняком так называемые резонансные усилители.
Более подробно со всеми этими типами усилителей мы познакомимся в дальнейшем, а сейчас ограничимся только тем, что сказано выше, и подчеркнем еще раз, что никакой принципиальной разницы между работой усилителей высокой и низкой частоты нет, и поэтому все, что мы будем говорить ниже, в одинаковой степени относится как к тому, так и к другому типу усилителей.
Степень усиления, даваемая усилителем, зависит от свойств примененной в усилителе лампы. При этом, конечно, предполагается, что внешние элементы схемы выбраны правильно, то есть подобраны таким образом, что лампа дает тот наибольший эффект, который она вообще способна дать. Вопрос о правильном выборе внешних элементов схемы мы рассмотрим также позднее при рассмотрении отдельных типов усилителей, а сейчас ограничимся рассмотрением связи между свойствами лампы и даваемым ею усилением.
Свойство лампы, как известно, удобнее всего характеризовать ее параметрами. Поэтому и для установления связи между свойствами лампы и даваемым ею усилением удобнее всего пользоваться параметрами лампы.
Прежде всего для того, чтобы лампа давала достаточное усиление, необходимо, чтобы небольшие напряжения на сетке вызывали заметные изменения анодного тока. Другими словами, крутизна характеристики лампы должна быть достаточно велика. Однако этим одним требованием не ограничивается условие получения достаточных усилений. Существенную роль, как мы уже показали, играют также и другие параметры лампы, именно ее проницаемость и внутреннее сопротивление.
Существующие типы трехэлектродных ламп предназначаются главным образом для целей усиления. Правда, некоторые из этих ламп используются также и в качестве детектора, но по существу они являются усилительными лампами. Все эти лампы отличаются друг от друга своими параметрами и величиной тока насыщения. Подробные данные об этих лампах неоднократно приводились на страницах нашего журнала, и поэтому мы на них не будем останавливаться снова. Укажем только, что у всех этих типов ламп параметры лежат в следующих пределах. Крутизна характеристики трехэлектродных усилительных ламп лежит обычно в пределах от 0,25 до 1,5 миллиампер на вольт. Внутреннее сопротивление этих ламп колеблется в пределах от 5 000 до 50 000 ом, а проницаемость их — в пределах от 5 до 20%. В лампах, предназначенных для целей усиления, параметры всегда заключаются в указанных выше пределах и только в специальных лампах, имеющих какое-либо особое назначение, параметры могут выходить за указанные пределы. В дальнейшем, после того как мы выясним, какую роль играет каждый из параметров лампы, легко будет установить, каковы должны быть параметры лампы, применяемой в том или другом случае, и значит какой из существующих типов ламп следует выбрать в каждом данном случае. Сейчас же мы перейдем еще к одному вопросу, играющему весьма существенную роль при выборе типа ламп.
Если мы будем подводить к лампе некоторые переменные напряжения, то в анодной цепи мы будем иметь такие же переменные напряжения, но усиленные в определенное число раз. Поэтому, чем больше будут напряжения, подводимые к сетке лампы, тем больше будут и напряжения, получающиеся в анодной цепи. Однако, в этом направлении нельзя итти как угодно далеко.
Ведь задача заключается не только в том, чтобы получить в анодной цепи большие напряжения. Нужно также, чтобы эти напряжения были точно такие же, как и те, которые подводятся к сетке лампы. Другими словами, форма того переменного тока, который подводится к сетке, должна сохраняться неизменной, и в анодной цепи ток должен иметь точно ту же форму. Ясно, почему это необходимо. Определенной форме кривой соответствуют вполне определенные звуки, и если форма кривой будет искажена при усилении, то вместе о тем будут искажены и те звуки, которые получаются в приемнике, или репродукторе — усилитель будет искажать передачу.
Это требование сохранение формы кривой подводимых колебаний — является весьма существенным при усилении. Оно как раз и ставит предел тем напряжениям, которые могут быть подведены к сетке лампы, а следовательно и тем напряжениям, которые могут быть получены в анодной цепи лампы после усиления. Рассмотрим подробное, чем этот предел определяется. Представим себе снова характеристику трехэлектродной лампы (рис. 3), к которой подводятся переменные напряжения определенной формы. Для простоты положим, что эти напряжения имеют форму синусоиды. Тогда при малых напряжениях, пока эти напряжения не выходят за пределы прямолинейной части характеристики, мы получим в анодной цепи также синусоидальные изменения силы анодного тока, то есть, в конечном счете, синусоидальные же изменения напряжения на концах анодного сопротивления. Таким образом, форма кривой напряжений, подведенных к сетке, будет сохранена, то есть усилитель будет работать без искажений.
В случае же, если напряжения, подводимые к сетке, будут настолько велики, что они будут заходить за пределы прямолинейной части, то очевидно форма кривой анодного тока уже не будет в точности совпадать с формой кривой напряжений, подводимых к сетке (рис. 4). Форма кривой напряжений, получаемых в анодной цепи, будет искажена, и значит усилитель будет работать с искажениями. Искажения эти будут заметны тем более, чем больше амплитуды напряжений, подводимых к сетке. Так как эти искажения появляются только при определенных амплитудах на сетке и искажают форму кривой в том смысле, что наибольшие значения тока, то есть амплитуды тока, в анодной цепи оказываются как бы срезанными, то эти искажения носят названия «амплитудных искажений». Очевидно, что для устранения амплитудных искажений требуется только одно: работать на прямолинейной части характеристики лампы. Это условие может быть соблюдено, если напряжения, подводимые к сетке лампы, не будут чересчур велики. Так как эти напряжения переменные, то напряжение на сетке будет иметь то положительное, то отрицательное значение, и поэтому для того, чтобы не возникли амплитудные искажения, как при положительных, так и отрицательных напряжениях, выгоднее всего работать на средней точке прямолинейной части характеристики (точка А на рис. 3). В этом заключается одна из основных задач правильного выбора режима работы усилительной лампы.
Во всякой электронной лампе отдельные электроды лампы закреплены не абсолютно жестко. Поэтому при всевозможных толчках электроды лампы — сетка и в особенности нить, могут колебаться с каким-то определенным периодом, который зависит от размеров и упругости электрода. В большинстве случаев эти собственные периоды механических колебаний отдельных электродов лампы лежат в пределах звуковых частот. Но свойство лампы и величина ее отдельных параметров зависят от расположения электродов и расстояния между ними. При колебаниях электродов очевидно изменяются периодически и параметры лампы, а вместе с тем и сила тока в анодной цепи. Поэтому при различных толчках в телефоне или репродукторе, включенном в анодную цепь лампы, бывает слышен характерный звон, являющийся следствием тех периодических изменений силы анодного тока, о которых мы только что говорили. Эта способность ламп называется микрофонным эффектом лампы и часто причиняет неприятности радиолюбителям. Очевидно, что наиболее кардинальный способ устранения микрофонного эффекта — это такая конструкция электродов, при которой они были бы закреплепы совершенно жестко и не могли бы колебаться. Однако изготовление ламп с такими совершенно жесткими электродами представляет трудности, и поэтому большинство трехэлектродных ламп обладает микрофонным эффектом. Чтобы лампы не «микрофонили», необходимо защищать их от разных случайных толчков, применяя амортизованные панели, то есть такие панели, которые смягчают толчки и не передают их лампе.
Одной из наиболее трудных задач измерительной техники является измерение малых переменных напряжений. Существующие приборы позволяют измерять переменные напряжения порядка долей вольта, но при этом они потребляют довольно сильный ток. В тех же случаях, когда источник переменного напряжения обладает большим внутренним сопротивлением, применение таких приборов, потребляющих большие токи, очевидно не пригодно. И на помощь измерительной технике в этом случае приходит трехэлектродная лампа, включенная по так называемой схеме катодного вольтметра (рис. 5). Принцип действия катодного вольтметра таков. Напряжение сеточной батареи подбирается таким образом, чтобы лампа находилась в положении, соответствующем нижнему перегибу анодной характеристики. Измеряемые напряжения подводятся к сопротивлению R. Падение напряжения, даваемое переменным током на этом сопротивлении, передается на сетку лампы. При этом, так как лампа находится в нижней точке перегиба характеристики, то уменьшение силы анодного тока при отрицательных напряжениях на сетке будет меньше, чем увеличение анодного тока при положительных амплитудах напряжения на сетке. В конечном счете средняя сила анодного тока возрастет и миллиамперметр МА, включенный в анодную цепь, отметит это увеличение анодного тока. Таким образом могут быть обнаружены и измерены очень малые переменные напряжения, составляющие малую долю вольта. При помощи специальных расчетов и предварительной градуировки можно установить, каким напряжениям соответствует то или другое напряжение анодного тока и, следовательно, прямо отсчитывать по показаниям прибора в анодной цепи величину напряжения, подводимого к сетке лампы. Преимущество катодного вольтметра по сравнению с. обычными приборами для измерения переменных напряжений заключается в том, что величина сопротивления R может быть взята очень большой, порядка нескольких мегом. Поэтому сила тока, потребляемая катодным вольтметром, будет очень мала, и следовательно он может быть применен для измерения напряжений, даваемых источником, обладающим большим внутренним сопротивлением.
Приведенная нами схема катодного вольтметра является упрощенной и дает только общее представление о принципе действия катодного вольтметра. Более подробное описание устройства катодного вольтметра будет помещено в следующем номере журнала и будет служить материалом для практической работы к 16-му занятию.
Демонстрации микрофонного эффекта в лампах и методов борьбы с ним. Демонстрация катодного вольтметра и его работы.