Беседа одиннадцатая

Беседа одиннадцатая

На этот раз длинная беседа наших двух друзей посвящена усилению. После того как было установлено, что оно необходимо как для токов низкой, так и для токов высокой частоты, Любознайкин излагает принцип трансформаторной связи, а также различные способы получения напряжения сеточного смещения, обычно используемые в приемниках с питанием от электросети.

ТЯГОТЫ ПУТЕШЕСТВИЯ

Незнайкин. — Из нашей последней беседы я, наконец, понял, как происходит детектирование, т.е. как пассажир (низкая частота) сходит с поезда (высокая частота), который его привез на станцию (приемник). Теперь я горю желанием начать, наконец, постройку хотя бы самого простого приемника, состоящего из колебательного контура, диодного детектора и громкоговорителя.

Любознайкин. — Вечно ты переполнен несбыточными идеями. Громкоговоритель у такого приемника будет нем, как рыба. Ты забываешь, что твой пассажир, проделав большой путь (со скоростью 300 000 км/сек), прибывает к приемнику очень усталым и ослабевшим!..

Н. — Есть отчего!..

Л. — Так вот, ток, возбуждаемый в твоем приемнике, будет слишком слабым, чтобы раскачать громкоговоритель. Поэтому после детектирования перед подачей на громкоговоритель его надо усилить. В этом и заключается роль усиления низкой частоты (УНЧ). В результате действия усилителя происходит увеличение амплитуды низкой частоты.

Но, с другой стороны, если пассажир едет издалека, то у него не будет даже силы сойти с поезда. Иначе говоря, ток, который возбуждается волнами в приемной антенне, будет таким слабым, что его нельзя будет даже продетектировать.

Н. — Я думаю, что в этом случае необходимо укрепить силы пассажира перед его выходом из поезда.

Л. — Именно так и делают. Ток высокой частоты предварительно усиливают. Благодаря усилению высокой частоты (УВЧ) удается детектировать даже самые слабые сигналы. Следовательно, усиление высокой частоты способствует увеличению чувствительности приемника или, иначе говоря, дальности действия.

НЕЗНАЙКИН ФОРМУЛИРУЕТ ЗАДАЧУ

Н. — Словом, в хорошем приемнике нужно усиливать как высокую, так и низкую частоты (рис. 44). Но что касается усиления, то я полагаю, мы уже все узнали.

Рис. 44. Простейшая скелетная схема приемника прямого усиления.

_{УВЧ — усилитель высокой частоты, повышающий чувствительность и избирательность;}

_{Д — детектор;}

_{УНЧ — усилитель низкой частоты, увеличивающий громкость звучания;}

_{Гр — громкоговоритель.}

Л. — Глубоко заблуждаешься, дружище. Ты знаешь о роли усилительной лампы и о том, что малейшие изменения напряжения, поданного на вход лампы (т. е. между сеткой и катодом), вызывают значительные изменения анодного тока. Но ты совсем не знаешь, каким образом устроены цепи связи, которые позволяют включить последовательно две усилительные лампы.

Н. — Мой учитель математики всегда утверждал, что ясно сформулированная задача уже наполовину решена. Так вот я и попытаюсь изложить задачу, которую ты только что мне задал. В лампе (рис. 45) имеется «вход» — это сетка и катод. Между этими двумя электродами включается переменное напряжение высокой или низкой частоты. Кроме того, имеется «выход» — это анодная цепь, в которой между анодом и положительным полюсом источника высокого напряжения мы можем снимать изменяющийся по величине анодный ток. Но чтобы заставить работать следующую лампу, нам нужен не переменный ток, а переменное напряжение, которое мы должны подать между ее сеткой и катодом.

Рис. 45. "Четыре основные точки" лампы (на входе между сеткой и катодом и на выходе между анодом и положительным полюсом источника высокого напряжения).

Л. — Ты на правильном пути. Напрашивается необходимость преобразования переменного анодного тока в переменное напряжение.

Н. — Это легко сказать, но я не вижу, каким образом этого можно добиться.

Л. — Такое преобразование может быть сделано, например, при помощи трансформатора…

СТАРОЕ ЗНАКОМСТВО

Н. — А что это за прибор — трансформатор?

Л. — Трансформатор? Так ведь это твой старый знакомый, только ты не знал его имени. Так называют прибор, имеющий две индуктивно связанные обмотки. Ты уже знаешь, что когда по первой обмотке проходит изменяющийся по величине ток, во второй обмотке наводится индуктированное напряжение.

Если через первую обмотку (называемую первичной) пропустить переменный ток, то во второй обмотке (вторичной) электроны начнут постоянно перемещаться в соответствии с индуктирующим током, создавая таким образом переменное напряжение между концами обмотки (рис. 46).

Рис. 46. Переменный ток в первичной обмотке I трансформатора Тр наводит переменное напряжение на зажимах вторичной обмотки II.

Н. — Теперь я вижу решение: достаточно включить в анодную цепь первой лампы первичную обмотку трансформатора, а его вторичную обмотку присоединить к сетке и катоду второй лампы (рис. 47). При этом в первичной обмотке будет проходить изменяющийся по величине анодный ток первой лампы. Он наведет переменное напряжение на концах вторичной обмотки, которое окажется приложенным между сеткой и катодом второй лампы… Одним словом, все, как водится во всех хороших домах.

Рис. 47. Трансформаторная связь двух усилительных ламп.

Л. — Подожди торжествовать, дружище. Пока наша схема имеет серьезный недостаток. Ты, вероятно, уже заметил, что каждая лампа в этой схеме имеет свой источник высокого напряжения, предназначенный для создания анодного тока. Однако идет ли речь о батарее или о другом источнике питания, он является дорогостоящим прибором. Теперь представь себе, что если (в целях получения большого усиления) мы хотим применить не две, а три или больше ламп, то нам понадобится столько же источников высокого напряжения, а это будет сопряжено с большими расходами.

ПРОБЛЕМЫ ПИТАНИЯ

Н. — А, может быть, можно использовать один общий источник для питания всех ламп?

Л. — Именно так и делается в действительности. Посмотри на рис. 48; три усилительные лампы питаются от одного источника высокого напряжения. Их катоды соединены с отрицательным полюсом.

Рис. 48. Питание трех ламп от общего источника высокого напряжения Б_а.

Н. — Мне кажется, что это правильно. Вместо того, чтобы готовить еду для каждой лампы индивидуально, их кормят из общей кухни ресторана.

Л. — Поскольку ты дошел до этого сам, позволь тебе напомнить, что питание лампы состоит не только из источников высокого напряжения и накала, но и из источника отрицательного сеточного смещения.

Н. — Действительно. Я совершенно забыл об этом добавлении, о котором ты уже говорил. Если я правильно припоминаю, сетка должна иметь такое отрицательное напряжение по отношению к катоду, чтобы рабочая точка находилась на прямолинейном участке характеристики лампы, и под действием приложенного к лампе переменного напряжения сетка никогда не должна становиться положительной.

Л. — Ты забыл, что сетка должна иметь такое отрицательное напряжение, чтобы рабочая точка не выходила за пределы прямолинейной части характеристики во избежание искажений при усилении колебаний.

Н. — Каким же путем мы практически сделаем сетку отрицательной по отношению к катоду? Я думаю, что проще всего использовать для этого маленькую батарейку от карманного фонаря.

Л. — Так делают в приемниках, питание которых производится от батарей. Но большинство ламповых радиоприемников питается не от батарей, а от осветительной сети переменного тока. Чтобы в этом случае получить напряжение смещения, применяют столь же остроумный, сколь и простой прием, используя падение напряжения за счет анодного тока на сопротивлении, включенном в цепь катода.

НЕЗНАЙКИН В РОЛИ ЭЛЕКТРОНА

Н. — Сначала скажи мне, что такое падение напряжения.

Л. — Когда поток электронов встречает на своем пути сопротивление, электроны преодолевают его с трудом. Поэтому на входе сопротивления происходит накапливание электронов, а на выходе сопротивления электронов окажется меньше, чем на входе. Следовательно, вход сопротивления будет более отрицателен, чем выход (рис. 49). Созданное таким образом напряжение при прохождении тока через сопротивление называется падением напряжения. Оно тем больше, чем больше проходящий через сопротивление ток и чем больше само сопротивление^{7}.

Рис. 49. Проходя через сопротивление R, ток создает на его концах падение напряжения. Стрелкой показано направление движения электронов.

Н. — Это похоже на поведение людей, которые, стремясь выйти из помещения через узкий проход, скапливаются перед ним. Когда они, наконец, вырываются на простор, где можно свободно вздохнуть, то сразу понимают, что такое разность давлений или падение напряжения.

Л. — Я вижу, что ты легко вошел в роль электрона. Чтобы вернуться к вопросу о сеточном смещении, соберем схему (рис. 50), в которую включим резистор R с необходимым сопротивлением на пути анодного тока между отрицательным полюсом источника высокого напряжения и катодом.

Поток электронов внутри лампы идет от катода к аноду, а во внешней цепи он проходит через первичную обмотку трансформатора связи Тр, источник высокого напряжения и через резистор R возвращается на катод. Проходя через резистор, этот поток образует на его концах падение напряжения, причем знак на его нижнем конце окажется отрицательным по отношению к верхнему. Сетка присоединена к нижнему концу резистора, а катод — к верхнему. Таким образом, сетка будет иметь отрицательное напряжение по отношению к катоду.

Рис. 50. Анодный ток, проходя через резистор R создает напряжение, которое прикладывается между сеткой и катодом лампы.

Н. — Это оказалось довольно простым. Но для чего служит конденсатор С?

Л. — Не забудь, что анодный ток лампы является постоянным только до тех пор, пока постоянно напряжение на сетке. Когда же к сетке прикладывается переменное напряжение, то и ток в анодной цепи начинает изменяться с той же частотой. Изменяющийся анодный ток с трудом проходил бы через сопротивление резистора, конденсатор же представляет для этого тока более легкий путь. Говорят, что через конденсатор С проходит переменная составляющая анодного тока.

Н. — Значит, для получения напряжения смещения в анодную цепь каждой усилительной лампы надо включить резистор?

Л. — Конечно. Для примера я нарисую тебе схему с двумя усилительными лампами (рис. 51), связанными трансформатором Тр. Первая получает смещение от резистора R₁, а вторая — от резистора R₂.

Рис. 51. Двухламповый усилитель, в котором сеточное смещение создается с помощью резисторов R₁ и R₂.

ТРАНСФОРМАТОРЫ НИЗКОЙ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Н. — А что это за жирная линия, которую ты начертил между обмотками трансформатора?

Л. — Так обозначается сердечник, используемый в трансформаторах низкой частоты. Так как магнитное поле легче проходит через сердечник, чем через воздух, индуктивность обмотки, намотанной на сердечник, увеличивается. Чтобы переменный ток, протекающий через обмотки, не наводил токов индукции в самом сердечнике, его собирают из тонких изолированных пластин.

Н. — А почему сердечники делают только для трансформаторов низкой частоты?

Л. — Потому что токи высокой частоты из-за большой частоты их изменения создали бы в сердечнике большие потери для возбуждающего тока. Поэтому на высоких частотах предпочитают использовать трансформаторы без сердечников.

Н. — Нельзя ли, однако, уменьшить индуктивные токи до минимума, сделав сердечники с большим сопротивлением для наводимых в них токов? Можно было бы, например, составить их из мельчайших частичек железа, изолированных друг от друга.

Л. — Так часто и делают. Для трансформаторов высокой частоты сердечники прессуются из специальной массы, состоящей из железного порошка, перемешанного с изоляционным материалом.

Н. — Словом, единственное различие в устройстве усилителей высокой и низкой частоты заключается, если я правильно понял, в сердечнике. В первом случае это воздух или железный порошок, во втором — листовая сталь.

Л. — Нет, разница значительно глубже. Когда усиливаются токи низкой частоты, особое внимание должно быть уделено тому, чтобы все частоты усиливались равномерно во избежание нарушения пропорциональности в интенсивности звучания отдельных звуков Мы не заинтересованы в том, чтобы какой-нибудь звук выделялся в ущерб другим.

Что же касается высокой частоты, то для нас чрезвычайно важно отобрать только тот ток, частота которого соответствует принимаемой нами станции, исключая токи других частот!

Н. — Значит, при усилении высокой частоты надо использовать избирательные контуры связи, иначе говоря, настроенные контуры?

Л. — Конечно. Нужно, чтобы решение задачи повышения избирательности, начатое в настроенном контуре антенны, было продолжено системой контуров связи в усилителе высокой частоты. Мы используем избирательные трансформаторы, настраивая одну (рис. 52) или даже обе (рис. 53) обмотки Такие трансформаторы пропустят ток только той частоты, на которую они настроены, исключая любую другую.

Рис. 52. Трансформатор связи высокой частоты с настроенной вторичной обмоткой.

Рис. 53. Трансформатор связи высокой частоты с двумя настроенными обмотками.

ИСКУССТВО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ

Н. — Меня сбивает с толку одно обстоятельство, Любознайкин. Поскольку переменный ток первичной обмотки трансформатора вызывает появление переменного напряжения на концах вторичной обмотки, почему используется только один из концов вторичной обмотки?

Л. — Что ты этим хочешь сказать?

Н. — Возникает вопрос, нельзя ли вывести точно от середины вторичной обмотки отвод и заземлить его. В этом случае напряжение на каждом из концов обмотки попеременно меняло бы знак относительно средней точки (которую, если я правильно понял, можно рассматривать как точку нулевого потенциала).

Л. — Это действительно так, дружище. Такая схема похожа на качели в виде доски, середина которой опирается на какую-нибудь подставку. Когда ребенок, сидящий на одном из концов доски, поднимается, другой — на противоположном конце опускается и наоборот Твоя идея великолепна Можно, действительно, подать напряжения противоположных полярностей, возникающие на обоих концах вторичной обмотки, на сетки двух ламп.

Таким образом осуществляют симметричную или двухтактную схему (на радиолюбительском жаргоне она называлась раньше пушпульной схемой).

Н. — Еще одно изобретение, которое у меня украли до того, как я его сделал! Ну, не важно. Удовольствуемся тем, что лампы качаются на качелях. Однако мне не нравится распределение анодных токов в этих лампах. Ведь когда один из токов увеличивается при увеличении напряжения на сетке, другой должен падать, так как напряжение на второй сетке при этом уменьшается. Как тут быть?

Л. — Вот тоже незадача, бедный Незнайкин! Однако выход из положения крайне прост. Достаточно присоединить аноды ламп к концам другого трансформатора, на среднюю точку которого включено анодное напряжение (рис. 54).

Рис. 54. Схема двухтактного каскада.

Н. — Много мы от этого выиграем! Как, ты хочешь, чтобы такая схема работала? Ведь действие обоих анодных токов взаимно компенсируется, так как при увеличении одного из них другой уменьшается и наоборот.

Л. — Ты просто не учел, что направление этих токов также противоположно — от разных концов обмотки к середине. Поэтому когда один ток увеличивается, обегая витки в одном из направлений, другой уменьшается, но при этом обегает витки в противоположном направлении. Следовательно, эффекты, создаваемые этими токами, иными словами токи, наведенные во вторичной обмотке, суммируются.

Н. — Кажется, ты прав, так как два отрицания эквивалентны утверждению. Но разреши мне проанализировать работу схемы методически. Допустим, что ток через лампу Л₂ увеличивается, а через лампу Л₃ уменьшается.

Л. — Пусть, кроме того, ток лампы Л₂ обегает первичную обмотку второго трансформатора по часовой стрелке, а ток лампы Л₃ — против часовой стрелки. Что при этом произойдет?

Н. — Законы индукции непреложны. Увеличивающийся ток лампы Л₂ наведет во вторичной обмотке ток противоположного направления, т. е. против часовой стрелки наших пресловутых часов.

Л. — А ток лампы Л₃?

Н. — В силу того, что он уменьшается, наведенный ток должен иметь то же направление, т.е. опять-таки против часовой стрелки. Поразительно! Направление обоих наведенных токов одинаково!.. А в каких случаях применяют двухтактные схемы?

Л. — В основном в выходных каскадах, чтобы подвести к громкоговорителю Гр мощность, увеличенную в результате совместной работы двух ламп. Но я боюсь, что если сегодня вечером мы будем продолжать совместную работу, «мощь» наших умозаключений упадет…