Вопрос об усилении низкой частоты имеет очень большое значение как для радиоприемника, так и в особенности для всех ступеней трансляционного тракта, служащего для передачи звукового тока. В настоящее время вопрос об искажениях и способах добиться неискаженного усиления в достаточной степени разработан, и к усилительному тракту предъявляются весьма высокие требования. В условиях радиолюбительского приема и трансляции низкой частоты по проводам конечно не всегда могут быть достигнуты идеальные условия усиления. Тем не менее, и в этом случае важно дать себе отчет, отчего происходят те или иные несовершенства работы приборов и какие пути могут быть избраны для их устранения.
Под усилением понимается такая трансформация переменного электрического тока, в результате которой увеличивается сила его действия, но само действие остается неискаженным. Вследствие этого в различных случаях приходится понимать различные вещи под словами «неискаженное усиление». Простейшим примером этого может служить усиление тока при телеграфной передаче. Положим, что рис. 1 показывает исходную кривую телеграфного тока, в которой узкие выступы представляют собой точки, а широкие выступы — тире. Совершенно безразлично для действия телеграфного аппарата, будет ли эта кривая воспроизведена в точности, или изменена так, как показано на рис. 2, т. е. все ее острые углы будут сглажены. Если только это сглаживание не превосходит известного предела, телеграфный аппарат будет работать совершенно так же, как он работал бы от тока, выраженного кривой рис. 1, по той причине, что механическая инерция его частей все равно не позволит ему сразу, в одно мгновение, перейти из одного положения (соответствующего малому току) в другое положение (соответствующее большому току). Ухо, однако, в рассмотренном случае совершенно отчетливо различило бы разницу между обеими кривыми. Первая показалась бы нам звучащей резко, вторая — мягко, если бы ток, характеризуемый этими кривыми, был пущен, например, в телефонную трубку.
Другим примером, который должен нас интересовать гораздо ближе, может служить следующее. Положим, мы имеем два источника переменного тока, причем этот ток характеризуется кривой А для первого источника и кривой В для второго источника (рис. 3). Как это видно на рисунке, второй источник дает ток втрое более частый или, иначе говоря, кривая этого тока является третьей гармоникой по отношению к кривой первого тока. Если оба тока будут пущены в телефонную трубку, мы услышим некоторый звук, причем, пока этот звук будет длиться, он будет совершенно одинаково восприниматься ухом, независимо от того, были ли пущены оба тока в телефон одновременно, или разновременно, и как они сдвинуты один относительно другого. Во всех случаях ухо будет констатировать определенный характер звучания. В то же время колебания мембраны могут разниться чрезвычайно существенным образом.
Сложив обе кривые, читатель легко убедится, что в зависимости от взаимного расположения этих кривых можно получить множество различных суммарных кривых и, в частности, — кривые А и В рис. 4, вид которых чрезвычайно различен, в то время как действие на наше ухо совершенно одинаково. Все это относится и к кривым более сложным. На страницах нашего журнала уже неоднократно говорилось о том, что всякая кривая, как бы она ни была сложна, может быть представлена как сумма синусоид различных периодов и различных амплитуд. В этом комплексе ухо различает высоту тонов и амплитуды, отдельных составляющих, но не различит сдвига фазы одного колебания относительно другого, если только период суммарной кривой не слишком велик. Это обстоятельство значительно облегчает задачу усиления низкой частоты для акустического воспроизведения. Это же дает нам право предъявлять к усилителю совершенно определенные требования, а именно: а) усилитель должен одинаково усиливать все частоты, которые могут быть восприняты ухом (практически от 50 до 3 000); б) усилитель должен сохранять одну и ту же степень усиления как при малых, так и при больших амплитудах в тех пределах, на которые он рассчитан; в) усилитель не должен создавать каких-либо новых тонов ни при каких обстоятельствах, в частности, он не должен создавать никаких новых гармоник и в особенности комбинационных — суммовых и разностных тонов; г) для воспроизведения звука не имеет значения искажение формы кривой, если оно произошло вследствие сдвига фаз в процессе усиления.
Элементами усилительного устройства являются: конденсаторы, самоиндукции, трансформаторы, сопротивления и лампы. Каждый из этих элементов или их комбинация может быть причиной искажения.
Мы рассмотрим подробнее искажения, вносимые лампой и трансформатором, и в особенности, последним, который соединяет в себе и емкость, и самоиндукцию и сопротивление. Кроме того, сопротивление трансформатора может представляться в различных видах, это — омическое сопротивление обмоток, потеря на гистерезис в железе и потеря на токах Фуко в железе. Обмотки трансформатора связаны между собой магнитным потоком, который проходит через железный сердечник (рис. 5). Однако не все силовые линии проходят через обе обмотки, — часть их, как это показано на рис. 5, располагается таким образом, что не пересекает витков другой обмотки. Магнитный поток, образуемый этими силовыми линиями, называется потоком рассеивания. Вследствие существования потока рассеивания каждая из обмоток трансформатора является одновременно, с одной стороны, действительно обмоткой трансформатора, а с другой стороны — дросселем, т. е. представляет собой индуктивное сопротивление. Всякий трансформатор в большей или меньшей степени имеет рассеивание, как бы совершенно он ни был устроен. Однако соответствующими мерами это рассеивание может быть уменьшено до минимальных пределов, в то время как неправильно построенный трансформатор всегда будет иметь большое рассеивание.
С целью уменьшить рассеивание нужно особенно обращать внимание на отсутствие в трансформаторе каких бы то ни было зазоров, препятствующих магнитному потоку проходить через железо, а также на то, чтобы форма сердечника давала бы возможно короткий путь силовым линиям. Чтобы понять, как влияет рассеивание на прохождение тока разных частот, удобно изобразить трансформатор, как это сделано на рис. 6, в виде комбинации трансформатора Т, дросселя L и дросселя L1. Всякий трансформатор, имеющий рассеивание, может быть представлен в виде схемы рис. 6, причем Т заключает в себе ту часть магнитного потока, который захватывает обе катушки; L заключает в себе рассеивание со стороны первичной обмотки, т. е. ту часть потока, которая захватывает только витки первичной обмотки, а L1 — рассеивание со стороны вторичной обмотки. На рис. 6 показаны еще два конденсатора С и C1, к которым мы вернемся позднее, а пока укажем, какой существенный вывод может быть сделан из рассмотрения этой схемы.
Положим, что к первичной обмотке приложено переменное напряжение. Вследствие того, что обе обмотки связаны трансформатором, во вторичной обмотке также появится соответствующее напряжение. Величина его будет зависеть от коэффициента трансформации и от тех падений напряжения, которые будут иметь место в дросселе L и в дросселе L1; в то время как коэффициент трансформации совершенно не зависит от частоты, потери напряжения в L и L1 будут зависеть от частоты. Сопротивление самоиндукции, как известно, тем больше, чем частота выше; следовательно и падение напряжения в дросселях будет возрастать с повышением частоты. Поэтому наш трансформатор лучше передаст низкие частоты и хуже — высокие. Это искажение будет тем значительное, чем больше поток рассеивания, и практически имеет весьма большое значение. Однако дело этим не ограничивается, так как помимо самоиндукции рассеивания трансформатор имеет еще емкость обмоток, обозначенную на рис. 6 емкостями С и C1. Эти емкости создадут вместе с самоиндукциями L и L1 колебательные контура, настроенные на определенную частоту (высоту тона). В зависимости от способа намотки величины С и С1 могут быть больше или меньше, что и повлияет на величину периода. В силу существования L и L1, С и С1 трансформатор будет неравномерно усиливать различные частоты. Мы можем графически охарактеризовать его работу, если будем откладывать по горизонтальной оси частоту переменного тока, а по вертикальной — напряжение на вторичных зажимах, предполагая, что на первичных зажимах поддерживается постоянное напряжение. Такая кривая изображена на рис. 7. Мы видим, что сначала напряжение возрастает, затем падает с увеличением частоты, а затем кривая образует некоторый горб, соответствующий резонансу с собственной частотой трансформатора.
Сравнивая два трансформатора, мы должны предпочесть тот из них, характеристика которого ближе к прямолинейной и показывает меньшую зависимость от частот. Однако практически, идеального трансформатора не существует; безболезненно могут быть допущены некоторые искажения, так как они почти всегда имеются в нашей обыденной практике в других случаях. Так, например, в любом помещении мы имеем резонансовые явления и выделение тех или иных тонов, что не приводит обычно к существенным искажениям или, вернее, не воспринимается нами как существенное искажение. Кроме того следует иметь в виду, что ухо в достаточной степени мало чувствительно к незначительным изменениям амплитуды звука и поэтому искажения, характеризуемые, например, рис. 7, ухом почти не будут отмечены. При самых строгих требованиях можно допустить варьирование амплитуды при разных частотах в 2—3 раза, если только резонансные явления не создают очень резких, острых пиков.
В хороших трансформаторах пользуются обычно резонансом, даваемым емкостями С и С1 и самоиндукциями L и L1 для того, чтобы получить некоторое повышение кривой около частот в 3—5 тысяч. Для этой цели принимают меры к уменьшению самоиндукции рассеивания и к уменьшению емкости обмоток. Последнее может быть достигнуто разделением всей обмотки на отдельные катушки-секции (рис. 8).
Так как усилительный тракт заключает в себе не один, а несколько трансформаторов, то конечная энергия зависит от совокупности действия всех трансформаторов. Понято, что их не следует выбирать одинаковыми, чтобы не подчеркивать еще более разницу в прохождении отдельных частот. Включая дополнительные емкости и самоиндукции, всегда можно выправить кривую прохождения частот и сделать ее такой, какой нужно для данной цели. Заметим здесь, кстати, что в усилительном тракте радиовещательной станции приходится заведомо вводить некоторые искажения в эту кривую, чтобы исправить те искажения, которые дают трансляционные линии и колебательные контура передатчика.
В усилительном тракте приемника также могут потребоваться определенные искажения для того, чтобы компенсировать те искажения, которые дает громкоговоритель. Теоретически можно утверждать, что к любому громкоговорителю может быть подобран усилитель таким образом, что все искажения громкоговорителя, зависящие от резонансовых явлений, будут вполне компенсированы. Практически эта задача очень трудна, так как искажения громкоговорителя могут меняться в зависимости от его регулировки.
В конце этой статьи мы вернемся еще раз к трансформаторам и укажем некоторые другие обстоятельства, ведущие к искажениям. Пока же заметим еще, что применение плохих сортов железа или толстых листов железа влечет за собой усиление токов Фуко и потерю на гистерезис, вследствие чего получаются условия, неблагоприятные для прохождения более высоких частот. Из всего сказанного ясно, что для борьбы с искажениями важно знать не только характеристику лампы, но и характеристику трансформатора.
Внешние цепи, которые присоединяются к трансформатору в виде ламп и различного рода емкостей, могут существенно изменить картину, особенно, если трансформатор стоит в анодной цепи детекторной лампы и зашунтирован емкостью для пропускания высокой частоты. Однако высказанные выше рассуждения могут быть учтены и в этом случае. По нашему мнению, положение вообще значительно облегчается при применении не трансформаторной, а дроссельной схемы усиления (рис. 9). В частности здесь отпадает вопрос о вредном влиянии рассеивания, и дроссель может быть сделан с разомкнутой магнитной цепью. Это значительно упрощает его конструкцию и позволяет уменьшить внутреннюю емкость. Однако, требуется хорошее экранирование одного дросселя от другого, чтобы связь между ними не повлекла за собой возникновения генерации. Возможно комбинировать между собой дросселя и сопротивления таким образом, чтобы дроссель находился в аноде, а сопротивление — в сетке следующей лампы. Соединяющие емкости следует брать большими, например, около микрофарады.
Искажения, вносимые лампами, обусловливаются непрямолинейностью анодной характеристики или наличием сеточного тока, который создает несимметричную нагрузку при положительных и отрицательных полупериодах для трансформатора, питающего сеточную цепь. Эти искажения мало зависит от частоты, но могут сильно зависеть от амплитуд. Разберем характерные случаи этих искажений.
Положим, на рис. 10 мы имеем характеристику лампы, причем линия АВ изображает характеристику анодного тока, a CD — сеточного тока. Напряжение, подводимое к сетке, изображает кривая ОТ. Переменный ток, получаемый в анодной цепи, изображается кривой МК, первый участок кривой ОТ соответствует малой амплитуде на сетке. Так как характеристика имеет здесь прямолинейный участок, то анодный ток оказывается неискаженным (участок MS кривой МК); второй участок кривой сеточного напряжения соответствует большей амплитуде колебания, и так как здесь захватывается криволинейная часть анодной характеристики, то получается искажение в кривой анодного тока, которая делается несимметричной (участок SG кривой МК). Это ведет к появлению гармоник, но дело не ограничивается только этим. Гораздо более неблагоприятный результат получается вследствие того, что средний анодный ток, который дает лампа, изменяется, как это показано линией MSGK. В условиях рис. 10 при переходе с малой амплитуды на большую средний анодный ток уменьшается, а при обратном переходе с большой на малую, — увеличивается. Если такие переходы с одной амплитуды на другую происходят периодически, то в усилителе возникает новый тон; в телефоне появляется новый звук, которого не было в исходном токе. Такое возникновение новых тонов будет иметь место при каждом случае биений между двумя какими-нибудь звуками. Простое рассмотрение этого вопроса показывает, что такого рода дополнительные тона имеют частоту, равную сумме и разности частот действующих звуков. Эти искажения чрезвычайно неприятны для слуха и избежать их можно, только используя исключительно прямолинейный участок анодной характеристики. При еще более значительном увеличении амплитуды начнет сказываться влияние сеточного тока, который будет срезать усиливаемую кривую в той части, которая захватывает область сеточного тока. По своему характеру эти искажения ничем не отличаются от только что разобранных. Для избежания этого рода искажений следует или работать в отрицательной части ламповой характеристики, или шунтировать сетку-нить омическим сопротивлением достаточно малым, чтобы по сравнению с ним нагрузка, даваемая сеточным током, была незначительной. Однако этот последний способ не особенно выгоден, так как сильно уменьшает усиление.
Таким образом, с точки зрения чистоты воспроизведения усилителем звукового комплекса очень важным является работа ламп в условиях их минимального использования; другими словами, для получения сколько-нибудь сильного звука нужно применение ламп достаточно большой мощности.
Теперь мы снова вернемся к трансформатору, для того чтобы отметить возможность искажений, очень близких к тем, которые мы только что рассмотрели в лампе. На рис. 11 показана кривая намагничивания железа. По горизонтальной оси отложены ампер-витки в обмотке, а по вертикальной — величина магнитного потока. Если первоначально анодный ток создавал некоторое количество ампер-витков, соответствующее точке А, то магнитный поток выражался отрезком АВ. Совершенно так же, как в лампе, пока амплитуда напряжения на зажимах первичной обмотки мала, участок кривой, на котором происходит работа трансформатора, может рассматриваться как прямолинейный. Однако при увеличении амплитуды выше определенного предела это допущение будет уже неправильным и начнутся искажения, похожие на те, которые обусловлены криволинейностью характеристики электронной лампы. Здесь также появятся гармоники, вызванные искажением синусоидальной формы кривой напряжения, действующего на трансформаторе. Равным образом здесь также могут появиться дополнительные тона, зависящие от изменения амплитуды, так как средний магнитный поток будет различным при большой и при малой амплитуде. Для избежания этого искажения не следует перегружать усилительного трансформатора, а также — нельзя применять в мощных установках маленькие трансформаторы, сердечники которых вследствие сильного тока в обмотке могут оказаться перенасыщенными и будут работать в наиболее криволинейной части кривой намагничивания.