В усилителях на сопротивлениях, схемы которых мы рассматривали в прошлых занятиях, роль анодного сопротивления сводилась к тому, чтобы выделить на этом сопротивлении переменное напряжение принимаемых сигналов и затем передать напряжение для дальнейшего усиления на сетку следующей лампы. Эту же роль может выполнить, конечно, не только омическое сопротивление. Представим себе, что вместо омического сопротивления в анод усилительной лампы включена первичная обмотка междулампового трансформатора низкой частоты (Тр2 — на рис. 1). Мы знаем, что если первичную обмотку трансформатора питать переменным током, то на зажимах вторичной обмотки получается переменное напряжение, причем величина этого напряжения зависит вопервых от напряжения, подводимого к первичной обмотке, и, во-вторых, от коэффициента трансформации (т. е. от отношения между числом витков первичной и вторичной обмотки). В таком случае на концах вторичной обмотки трансформатора Тр2 в схеме рис. 1 будет получаться переменное напряжение, которое будет действовать на сетку второй лампы. Вследствие этого будет изменяться сила тока в анодной цепи второй лампы. Словом, трансформатор Тр2 в схеме рис. 1 будет выполнять точно ту же роль, которую выполняет анодное сопротивление в рассмотренных нами ранее схемах усилителей на сопротивлениях.
Однако между работой схемы на сопротивлениях и на трансформаторах есть целый ряд весьма существенных различий. Основное различие заключается в том, что в случае схемы с сопротивлениями мы можем подать на сетку второй лампы переменное напряжение не большее, чем то, которое выделяется на анодном сопротивлении предыдущей лампы. Этим обстоятельством, как мы уже указывали, ограничивается тот предел усиления, который может быть получен в схемах с сопротивлениями (это наибольшее усиление равно усилительной постоянной применяемой лампы). В случае же усиления на трансформаторах мы можем напряжение, выделяемое лампой на зажимах первичной обмотки трансформатора, повысить в несколько раз, применяя повышающий трансформатор (т. е. такой трансформатор, у которого во вторичной обмотке число витков в несколько раз больше, чем в первичной). Благодаря этому на сетку следующей лампы может быть подано напряжение в несколько раз большее, чем то, которое подводится к первичной обмотке. Вследствие этого в случае усилителя на трансформаторах можно получить усиление большее, чем в схеме на сопротивлениях. Легко сообразить, насколько больше может быть усиление в схеме на трансформаторах по сравнению с схемой на сопротивлениях. Если будут соблюдены условия, при которых в первичной обмотке трансформатора выделяется то наибольшее напряжение, которое может быть выделено лампой, то значит сама по себе лампа будет давать усиление, примерно равное ее усилительной постоянной, т. е. если мы на вторичной обмотке входного трансформатора Тр1 имеем некоторое напряжение Eg1 то на аноде первой лампы выделится напряжение KEg1, где К — коэффициент усиления первой лампы, меньший или равный ее усилительной постоянной. Вследствие того, что трансформатор Тр2 повышает напряжение, мы получим на зажимах вторичной обмотки трансформатора Тр2 напряжение Eg2, равное К1К Eg1, где K1 — коэффициент трансформации трансформатора Тр2. Таким образом, к сетке второй лампы будет подведено напряжение в К × К1 раз больше, чем к сетке первой лампы. Другими словами, один каскад нашего усилителя на трансформаторах даст усиление сигналов в К × К1 раз.
Произведенный нами расчет, конечно, не вполне точен. Практически, во-первых, невозможно получить от лампы усиления, полностью равного ее усилительной постоянной, а во-вторых, при работе схемы нельзя получить на зажимах вторичной обмотки трансформатора напряжение в точности в К1 раз большее, чем подведенное к зажимам первичной обмотки. И усиление, даваемое лампой, и повышение напряжения, даваемое трансформатором, вследствие целого ряда причин, часть из которых мы рассмотрим в дальнейшем, будут фактически меньше, чем те, которые мы приняли в наших расчетах. И, следовательно, усиление, даваемое одним каскадом усилителя на трансформаторах, будет меньше, чем К × K1. Эта величина К × К1 является лишь тем пределом, которого не может превысить даваемое одним каскадом на трансформаторах усиление. Чем лучше построен усилитель, тем ближе будет даваемое им усиление к этому пределу.
Попытаемся выяснить, при каких условиях усиление, даваемое одним каскадом, будет близко к тому максимальному усилению, которое он может дать. Для этого очевидно должны быть выполнены следующие условия. На зажимах первичной обмотки трансформатора должно быть выделено то наибольшее напряжение, которое может дать лампа. Для этого, как мы уже знаем, сопротивление первичной обмотки переменному току должно быть достаточно велико. Если это сопротивление будет мало, то большая часть напряжения, даваемого лампой, будет теряться внутри самой лампы и только незначительная его часть выделится в первичной обмотке трансформатора. Таким образом, одним из основных условий получения больших усилений является достаточно большое сопротивление первичной обмотки междулампового трансформатора переменному току.
Второе условие, которое необходимо соблюсти, заключается в том, чтобы получить на зажимах вторичной обмотки возможно более высокое напряжение. Для этого нужно, во-первых, применять достаточно высокий коэффициент трансформации, а во-вторых, ставить трансформатор в такие условия, при которых напряжение не терялось бы внутри самой вторичной обмотки на ее омическом сопротивлении. Это второе условие сводится очевидно к тому, чтоб во вторичной обмотке не протекал ток, так как при наличии тока во вторичной обмотке неизбежно падение напряжения внутри ее и, следовательно, уменьшение напряжения между сеткой и нитью лампы. Это второе условие соблюсти довольно трудно, так как при положительных напряжениях на сетке через вторичную обмотку будет протекать ток (электроны будут садиться на сетку). Устранить ток в цепи сетки можно, как мы знаем, при помощи отрицательного смещения. Но одновременно с отрицательным смещением приходится повышать и анодное напряжение (для того, чтобы оставаться на средней точке характеристики ламп). При нормальных же условиях (без смещения и при нормальном анодном напряжении) устранить ток в цепи сетки невозможно, и, следовательно, трансформатор будет давать меньшие напряжения, чем те, которые были приняты в нашем расчете.
Однако оба эти условия — и повышение сопротивления первичной обмотки переменному току, и устранение сеточных токов — могут быть выполнены, и в таком случае от одного каскада усиления на трансформаторах можно получить усиление, близкое тому, которое было приведено в нашем расчете.
Усилитель на трансформаторах принципиально работает совершенно одинаково как при усилении высокой, так и при усилении низкой частоты. Разница очевидно будет заключаться в том, как должен быть устроен междуламповый трансформатор для того, чтобы было соблюдено указанное нами выше требование относительно достаточно большого сопротивления первичной обмотки переменному току.
В случае усиления высокой частоты первичная обмотка может очевидно обладать сравнительно малой самоиндукцией, так как для высокой частоты даже сравнительно малые самоиндукции представляют уже сравнительно большое сопротивление. Поэтому трансформатор, применяемый в усилителях высокой частоты, выполняется обычно в виде двух катушек с небольшим числом витков (например 100 витков в первичной обмотке и 200 во вторичной). Применение железных сердечников в этих трансформаторах не только не нужно, но даже вредно, так как и без железного сердечника первичная обмотка будет обладать достаточным сопротивлением для токов высокой частоты, а с другой стороны присутствие железа вызвало бы большие потери в случае токов высокой частоты.
Однако усиление высокой частоты на трансформаторах обладает одним весьма существенным недостатком, вследствие которого оно на практике почти не применяется. Недостаток этот заключается в следующем. Сопротивление первичной обмотки трансформатора будет зависеть, как мы уже говорили, от частоты усиливаемых сигналов, т. е. от длины принимаемой волны. Чем меньше будет частота (чем длиннее волна), тем меньше будет сопротивление первичной обмотки и, следовательно, тем меньше будет даваемое одним каскадом усиление. Поэтому усилитель на трансформаторах будет по-разному усиливать волны разной длины, — лучше короткие и хуже длинные волны. Если бы мы хотели выбрать первичную обмотку трансформатора так, чтобы для длинных волн усилитель давал достаточное усиление, то эта обмотка должна была бы иметь большое число витков, но вследствие этого она обладала бы большой собственной емкостью, которая для коротких волн представляла бы собой малое сопротивление. В результате мы получили бы большую самоиндукцию, но параллельно ей большую емкость и, следовательно, в общем небольшое сопротивление внешней анодной цепи тем токам высокой частоты, которые соответствуют наиболее коротким принимаемым волнам.
Словом, усилитель высокой частоты на трансформаторах не может быть устроен так, чтобы он давал одинаковое усиление на достаточно широком участке диапазона. Это представляет собой, конечно, большой недостаток, вследствие которого от применения усилителя высокой частоты на трансформаторах сейчас уже почти совершенно отказались.
Для того чтобы в случае усиления низкой частоты удовлетворить тому основному требованию, о котором мы говорили выше, нужно очевидно первичную обмотку междулампового трансформатора сделать так, чтобы она оказывала достаточно большое сопротивление усиливаемым токам низкой частоты. Для этого первичная обмотка должна обладать достаточно большим числом витков. Кроме того для увеличения самоиндукции (а следовательно сопротивления обмотки переменному току) трансформаторы низкой частоты делаются с замкнутыми железными сердечниками. В этом в сущности заключается единственное различие между усилителями на трансформаторах, предназначенными для усиления высокой и низкой частоты.
В чем заключается основное преимущество усилителя на трансформаторах по сравнению с усилителем на сопротивлениях, мы уже указали выше. Именно оно заключается в том, что при помощи трансформаторов (применяя трансформаторы, повышающие напряжение) можно получить усиление большее, чем в случае усилителей на сопротивлениях. В результате для того, чтобы получить одно и то же усиление, можно, применяя усилители на трансформаторах, ограничиться меньшим числом ламп, чем то, которое было бы необходимо в случае усиления на сопротивлениях.
Это основное преимущество усилителей на трансформаторах делает их наиболее распространенным в радиолюбительской практике типом усилителей. Однако вместе с этим основным достоинством усилитель на трансформаторах обладает также некоторыми весьма существенными недостатками, от которых свободны усилители на сопротивлениях. О том, каковы эти недостатки и какие существуют методы для их устранения, мы будем говорить во второй части этого занятия.