Беседа тринадцатая

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Беседа тринадцатая

В этой беседе рассматривается обратная связь, которая в зависимости от ее действия может либо улучшить, либо ухудшить работу радиоприемника. Из различных способов регулировки обратной связи Любознайкин объясняет только основные. Незнайкин рад познакомиться, наконец, с некоторыми многосеточными лампами: лампой с экранирующей сеткой и лампой с тремя сетками — пентодом. Хотите ли Вы следовать за ним по этому пути!..

ОБ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Незнайкин. — Можно подумать, что я принимаю то горячий, то холодный душ. Ты то превозносишь меня, то твоя ирония разбивает самые прекрасные порывы моей творческой радиотехнической мысли…

Любознайкин. — Не будь высокопарен, Незнайкин, и скажи, в чем я несправедлив по отношению к тебе.

Н. — Прошлый раз я, правда не без труда, начертил схему великолепного радиоприемника. Проверив ее, ты меня похвалил, а потом вдруг холодно заявил, что «вследствие элементов, которые не видны на бумаге, но которые тем не менее существуют, этот радиоприемник не будет работать». Это неясно и… обидно.

Л. — Успокойся, дружище. Я хотел только коснуться существования паразитных связей, которые неминуемо нарушат работу твоей схемы. Речь идет о связях между сеточной и анодной цепями каждой лампы.

Н. — А каковы же природа и действие этих вредных связей?

Л. — Чтобы тебе это объяснить, обратимся к схеме генератора (рис. 66). Катушка анодной цепи L2 связана с катушкой L1, составляющей колебательный контур сетки лампы. Помнишь ли ты, что происходит в результате наличия этой связи?

Рис. 66. Схема генератора.

L1 — катушка в цепи сетки; L2 — катушка в цепи анода.

Н. — Конечно: в сеточной и анодной цепях возникают колебания и генератор представляет собой настоящий маленький передатчик.

Л. — Это так, по крайней мере если степень связи между двумя катушками достаточно велика. Если же связь слаба, то колебаний не будет, но этот случай для нас также очень интересен. Ведь при этом мы будем иметь индуктивное воздействие анодной цепи на сеточную, т. е. воздействие выходной цепи на входную, которое называют обратной связью или обратной реакцией.

Н. — Словом, это вроде символа мудрости древних — змеи, которая сама кусает себя за хвост.

Л. — Если тебе так нравится… Представь себе, что такая лампа с обратной связью использована в радиоприемнике как усилительная (рис. 67).

Контур L1C1 служит для приема высокочастотного сигнала и на нем создается слабое напряжение, которое должно быть усилено. При этом через катушку L2 будут проходить усиленные токи анодной цепи, которые в свою очередь наведут напряжение на сеточной катушке L1. Если катушка обратной связи L2 расположена надлежащим образом по отношению к катушке L1, то напряжение, наведенное на катушке L1 катушкой L2, усилит первоначально существовавшее на сеточной катушке напряжение.

Рис. 67. Регенеративный приемник с обратной связью, регулируемой изменением связи между катушками L1 и L2.

Н. — Таким образом, воздействие анодной катушки L2 на катушку контура, если я правильно понял, усилит колебания в катушке L1. Но в этом случае эти усиленные колебания будут опять усилены лампой и вызовут в катушке обратной связи L2 еще более сильный ток. Этот ток благодаря индукции еще больше усилит колебания в сеточной катушке и т. д. Значит, усиление будет возрастать бесконечно?!

Л. — Не волнуйся, дорогой, при увеличении амплитуды колебаний в цепи сетки одновременно увеличиваются и потери (обусловленные активным сопротивлением и другими причинами), которые, наконец, полностью компенсируют мощность, вносимую из цепи анода. Тем не менее усиление, обусловленное наличием обратной связи, очень значительно, особенно если связь настолько велика, что лампа находится на грани возникновения колебаний или, как говорят, на грани самовозбуждения.

КАК РЕГУЛИРОВАТЬ ВЕЛИЧИНУ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Н. — Обратная связь напоминает мне укусы комаров.

Л. — Признаюсь, не вижу связи с комарами.

Н. — Однако это ясно. Когда тебя укусит комар, ты трешь укушенное место, чтобы успокоить зуд, который от этого только возрастает. Тогда ты начинаешь скрести себя с еще большим ожесточением, отчего укушенное место чешется еще больше. После этого ты теряешь всякую осторожность…, и в результате все заканчивается кровопролитием…

Точно так же слабые колебания в сеточной цепи усиливаются в результате индукции действием усиленного анодного тока. При этом ток в анодной цепи усиливается еще больше, а последний в свою очередь еще больше усиливает колебания в сеточной цепи. Но, однако, это не кончается кровопролитием, потому что потери в сеточной цепи ограничивают усиление; так должен был бы поступать наш разум при укусе комара.

Л. — Оставим комаров и вернемся к предмету нашего разговора. Я тебе уже сказал, что действие обратной связи наиболее эффективно, когда связь между анодной и сеточной цепями поддерживает лампу на пороге самовозбуждения.

Н. — Мне кажется, что этого очень легко добиться. Нужно только раз и навсегда установить катушки L1 и L2 на таком расстоянии, при котором обратная связь не вызывает возникновения колебаний

Л. — Но эта связь, удовлетворительная для частоты одной какой нибудь станции, может оказаться негодной для другой. Ты забыл, что индукция зависит от частоты тока, увеличиваясь с частотой Таким образом, обратная связь, которая будет оптимальной при приеме данной станции, будет слишком большой при приеме более высоких частот и недостаточной при приеме более низких частот

Н. — Это опять становится дьявольски сложным, и я не вижу средства урегулировать эти противоречия

Л. — Однако это очень просто! Достаточно сделать обратную связь переменной путем, например, изменения положения катушки обратной связи L2 относительно сеточной катушки L1, как это показано на рис.67. Здесь изображена схема детекторной лампы с обратной связью (так называемого регенеративного приемника или регенератора), которая была усладой всех радиолюбителей в 1925 и ближайших к нему годах. Лампа работает в режиме так называемого сеточного детектирования и содержит в анодной цепи катушку L2, подвижную относительно катушки L1 (на что указывает стрелка, пересекающая эти две катушки).

Н. — Я не думаю, чтобы такой способ перемещения катушки был достаточно удобен.

Л. — Это было, однако, очень увлекательным спортом. Но, конечно, были найдены и более практичные способы для регулировки обратной связи. Так, например, оказалось очень целесообразным применять для регулировки обратной связи конденсатор переменной емкости.

Н. — Признаюсь, я не представляю себе такой возможности.

КОНДЕНСАТОР В РОЛИ ВОДОПРОВОДНОГО КРАНА

Л. — Видишь ли, дружище, анодный ток регенератора состоит из трех различных составляющих. Прежде всего имеется постоянная составляющая. Затем имеется составляющая низкой звуковой частоты, полученная в результате детектирования. Наконец, имеется составляющая высокой частоты, образованная односторонними импульсами высокочастотного тока, накопление которых образует низкочастотную составляющую. Именно эта составляющая высокой частоты и производит эффект обратной связи Но для этого ее лучше отделить от двух других составляющих.

Н. — Каким же образом?

Л. — Вот схема (рис. 68), которая заставит анодный ток идти по двум различным дорогам. Одна дорога, обозначенная ВЧ, идет через конденсатор С2 малой емкости, который, как известно, не пропустит ни постоянный ток, ни переменную составляющую низкой частоты. Зато составляющая высокой частоты более или менее легко в зависимости от величины емкости С2 пройдет через конденсатор и по праву целиком займет эту дорогу.

Рис. 68. Регулировка обратной связи с помощью конденсатора переменной емкости С2.

Н. — Вот здорово, я понял! Конденсатор переменной емкости C2 действует по высокой частоте, как кран, который можно открыть больше или меньше С помощью этого конденсатора мы регулируем доступ высокочастотного тока в катушку L2 и, следовательно, таким образом можем изменять обратную связь

Но почему составляющая высокой частоты не пошла с такой же легкостью по второй дороге, которую ты обозначил НЧ?

Л. — Потому что на этом пути мы установили дроссель Др, т. е. катушку с большой индуктивностью. Эта катушка, как ты знаешь, будет представлять для тока тем большее индуктивное сопротивление, чем выше частота. Если постоянный ток и переменная составляющая низкой частоты легко пройдут через дроссель, то для высокой частоты он представит непреодолимое препятствие.

Н. — Это очень остроумное новое применение старого принципа divide et impera[3]

Л. — Браво, ты даже знаешь эту латинскую поговорку. Есть действительно остроумная схема (рис. 69), которая представляет собой вариант схемы регенератора, названный схемой Хартли, в честь американского радиолюбителя, который, впрочем, клянется, что никогда ее не изобретал. В этой схеме одна и та же катушка L1 служит и для настройки сеточной цепи и для осуществления обратной связи. Особенностью этой катушки является то, что она имеет отвод и вместе с конденсатором переменной емкости С1 образует сеточный контур. Через ее нижнюю часть проходит также высокочастотная составляющая анодного тока, и конденсатор С2 служит для регулировки величины этой составляющей таким же образом, как и в предыдущей схеме.

Рис. 69. Схема Хартли. Путь высокой частоты отмечен жирной линией.

Н. — Это очень хорошо, и если бы эту схему назвали схемой Незнайкина, я бы не протестовал, как это сделал мои американский коллега.

Однако, приняв все во внимание, я пока не понимаю, почему принцип обратной связи может вредно отразиться на работе предложенной мною схемы, которую мы рассматривали в прошлой беседе?

Л. — Сейчас ты это поймешь. Взаимодействия между анодными и сеточными цепями могут существовать в радиоприемнике независимо от нашего желания и, будучи бесконтрольными, становятся вредными и опасными.

Н. — Признаюсь, мне опять неясно, как могут образовываться опасные связи между сеточными и анодными цепями и почему они обязательно должны быть вредными?

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ — ЛУЧШАЯ И ХУДШАЯ ИЗ ВЕЩЕЙ

Л. — Неучтенные связи между сеточными и анодными цепями могут создать обратную связь, способствующую возбуждению самопроизвольных вредных колебаний, которые техники называют паразитными колебаниями. Лампа при этом работает в качестве генератора, а не усилителя.

Паразитные связи могут быть разного рода. Допустим, что усилительная лампа имеет один колебательный контур L1C1 в цепи сетки, а другой контур L2C2 в цепи анода (рис. 70). Каждая из катушек L1 и L2, несмотря на расстояние между ними, находится в магнитном поле другой катушки, и катушка L2 связана индуктивно с катушкой L1.

Помимо индуктивной связи, может образоваться и другой вид связи — емкостный. Емкостная связь образуется между соседними проводниками и деталями сеточных и анодных цепей за счет имеющейся между этими цепями паразитной емкости.

Рис. 70. Паразитные связи путем индукции (магнитные поля катушек изображены пунктиром) и через емкость С3 между сеткой и анодом лампы.

Н. — В таком случае надо постараться удалить друг от друга сеточные и анодные цепи, чтобы таким образом уменьшить до минимума образующуюся между ними паразитную емкость.

Л. — К этому и стремятся. Но тем не менее остается еще некая паразитная емкость, от которой раньше не могли никак избавиться и которая в течение долгих лет определяла направление развития приемно-усилительной техники.

Н. — Так что же это за несносная емкость?

Л. — Это очень маленькая емкость, которая образуется внутри лампы между сеточным и анодным электродами (емкость С3 на рис. 70). Обратная связь, возникающая через эту емкость между сеточными и анодными цепями, достаточна для того, чтобы нарушить стабильную работу усилителя высокой частоты, как только число каскадов в нем станет больше одного.

Н. — Я бы считал, что создавшееся положение ужасно, если бы не знал твою привычку нагромождать препятствия для того, чтобы потом их уничтожить легким дуновением. Каков же выход из положения?

Л. — Их три: экранирование, экранирование и еще раз экранирование. Каждая группа катушек помещается в металлические стаканчики — экраны, которые препятствуют распространению магнитного поля и, следовательно, образованию индуктивной связи между катушками. Мы применим экранирование также и внутри лампы (рис. 71), чтобы свести к нулю емкость между сеткой и анодом.

Рис. 71. Устранение паразитной связи путем экранирования катушек и введения экранирующей сетки.

ЭКРАНИРОВАНИЕ СЕТКИ ОТ АНОДА

Н. — Подожди-ка. Если поместить экран между сеткой и анодом, он загородит проход электронам и анодный ток прекратится.

Л. — Это неверно. Экран внутри лампы имеет большое число отверстий, через которые и будут проходить электроны, тем более что на экран подается положительное напряжение, равное приблизительно половине анодного напряжения. При этом экран ускорит движение электронов к аноду, добавляя свое действие притяжения к притяжению анода. Очень часто этот экран изготавливается в виде проволочной спиральки и называется экранирующей сеткой, а сама лампа называется лампой с экранирующей сеткой или сокращенно экранированной лампой. Учитывая, что она имеет четыре электрода, ее называют также тетродом (тетра по-гречески значит четыре).

Н. — Я очень доволен, узнав, наконец, о существовании лампы с количеством электродов, превышающим три. Вот это действительно современная лампа!

Л. — Не совсем так, она имеет в действительности недостаток, для устранения которого пришлось ввести в нее еще один электрод. Чтобы понять, для чего это пришлось сделать, проследим еще раз, как работает лампа. Когда на управляющей сетке появляется переменное напряжение, ток в анодной цепи начинает изменяться. Изменение тока вызывает на включенном в анодной цепи сопротивлении падение напряжения, которое изменяется пропорционально величине тока. Это приводит к тому, что и анодное напряжение, существующее между анодом и катодом, также не остается постоянным, а становится тем меньше, чем больше падение напряжения на сопротивлении в анодной цепи…

Н. — Подожди, мне будет понятнее, если ты приведешь числовой пример.

Л. — Пожалуйста. Допустим, что источник высокого напряжения дает 200 в. Это напряжение приложено между катодом и сопротивлением в анодной цепи (при этом маленькой величиной падения напряжения на сопротивлении смещения пренебрежем).

Пусть для простоты расчетов анодное сопротивление имеет 100 000 ом, а анодный ток в состоянии покоя составляет 0,6 ма. В этих условиях падение напряжения на сопротивлении будет равно 60 в, а следовательно, между анодом и катодом будет уже не 200, а только 140 в. Условимся также, что напряжение на экранирующей сетке будет равно 100 в. Если теперь к управляющей сетке будет приложено такое переменное напряжение, при котором анодный ток будет изменяться от 0,1 до 1,1 ма, то падение напряжения на сопротивлении будет изменяться от 10 до 110 в. При этом фактическое напряжение на аноде по отношению к катоду будет в свою очередь изменяться от 90 до 190 в.

Из этого примера видно, что напряжение на аноде в некоторые моменты может быть ниже, чем напряжение на экранирующей сетке…

Я вижу, что это не производит на тебя никакого впечатления…

Н. — Действительно нет. Но почему все это должно меня беспокоить?

ВТОРИЧНАЯ ЭМИССИЯ

Л. — Из-за своего невежества ты спокойно идешь по краю пропасти. Подумай хорошенько о тех явлениях, которые при этом будут происходить, и ты поймешь, какая неприятность подстерегает нас.

Испускаемые катодом электроны после управляющей сетки на пути к аноду попадают в сферу действия экранирующей сетки. Благодаря высокому положительному напряжению экранирующая сетка сообщает электронам дополнительную скорость, в результате чего последние пролетают через нее с огромной скоростью и, как снаряды, ударяются о поверхность анода. При этом каждый электрон выбивает из материала анода один или несколько электронов подобно тому, как образуется поток брызг при падении пловца в воду.

Эти электроны ведут себя, как и полагается всем электронам, т.е. они притягиваются к наиболее положительному электроду. Нормально таким электродом бывает анод, и выбитые электроны возвращаются в свое жилище, т.е. на анод, ничем не нарушая работы лампы. Но когда более положительной, хотя бы на короткие промежутки времени, станет экранирующая сетка, выбитые из анода электроны устремятся именно к ней.

Н. — Потрясающе!.. Значит, появится ток, который пойдет от анода к экранирующей сетке, а анод в этом случае будет служить вторичным катодом по отношению к экранирующей сетке.

Л. — Безусловно. Это явление называется вторичной эмиссией. И так как ток от анода к экранирующей сетке идет навстречу анодному току, последний уменьшается и искажается.

Н. — Вот мы и снова перед препятствием. Прошу тебя, дунь опять.

Л. — Это нетрудно. Чтобы уничтожить вторичную эмиссию, надо поставить между анодом и экранирующей сеткой еще одну — третью — защитную или антидинатронную сетку. Защитная сетка представляет собой очень редкую спираль, которая находится под потенциалом катода и соединяется с ним иногда даже внутри лампы. Она препятствует удалению вторичных электронов от анода.

Н. — Ну, что же, я рад познакомиться с лампой, имеющей уже пять электродов, которую можно назвать, если меня не обманывают мои познания в греческом языке, пентодом.

Л. — Это так. Таким образом, ты можешь заметить, что пентод является усовершенствованием тетрода и что эта лампа была создана для устранения вредного действия вторичной эмиссии.

Вот как выглядит схема усилительного каскада на пентоде (рис. 72). Резисторы R2 и R3, находящиеся между полюсами источника высокого напряжения, служат для установления напряжения на экранирующей сетке, приблизительно равного половине анодного напряжения. Конденсатор С4 служит для того, чтобы пропускать слабый ток высокой частоты, образующийся в цепи экранирующей сетки попадающими на нее электронами.

Рис. 72. Схема усилителя высокой частоты на пентоде.

R1C3 — цепь сеточного смещения; R2R3С4 — цепь питания экранирующей сетки.

Н. — Я надеюсь, что экраны, тетроды и пентоды окончательно помогут разрешить проблему паразитных связей.

Л. — Напрасные надежды, Незнайкин!