Беседа пятнадцатая

Беседа пятнадцатая

До настоящего времени Любознайкин умышленно обходил вопросы питания приемника. Он говорил об источниках тока накала и анода, не уточняя их свойств. Сегодня Незнайкин познакомится с выпрямлением и фильтрацией переменного тока. Будет рассмотрено также питание приемника от сети постоянного тока, так что вопросы питания не будут больше секретом для читателя.

ВОПРОСЫ ПИТАНИЯ

Незнайкин. — Иногда мне кажется, что я похож на путешественника в пустыне, страдающего от жажды и гоняющегося за соблазнительными миражами. Мне казалось во время нашей последней беседы, что я, наконец, имею полную и окончательную схему радиоприемника. Однако, вернувшись домой, я с огорчением констатировал, что в рассмотренной нами схеме чего-то не хватает.

Любознайкин. — Чего же, мой бедный Незнайкин?

Н. — Очень существенной части — питания, которое ты просто обозначил U_a. Однако не приходит же это напряжение к нам с неба в виде молнии!

Л. — Ты прав, но ты всегда можешь предположить, что питание берется от батареи гальванических элементов или от аккумуляторов.

Н. — Но я вовсе не избегаю такого предположения. Я хорошо знаю, что батареи и аккумуляторы уже давно используются в маленьких портативных приемниках или в установках, предназначенных для удаленных районов, не охваченных электрификацией. Большинство же современных радиоприемников рассчитано на питание от осветительной сети. Как сообщается в рекламах: «Штепсельная розетка — и это все».

Мне не совсем понятно — ведь в большинстве мест электрические сети имеют переменный ток, однако им пользуются для питания анодных цепей ламп

Л. — Это удается благодаря предварительному выпрямлению переменного тока. Выпрямить переменный ток — это значит помешать ему течь в двух направлениях и заставить его течь только в одном направлении.

Н. — Словом, выпрямление — это вроде детектирования?

Л. — Да. Но при детектировании происходит преобразование высокочастотного модулированного сигнала в низкочастотное напряжение, тогда как в случае выпрямления мы имеем дело с током промышленной частоты 50 гц, и, кроме того, выпрямленный ток должен быть достаточно большой величины (несколько десятков миллиампер). Само собой разумеется, что для выпрямления используются диоды, электроды которых больше электродов детекторного диода. Такой диод называется кенотроном.

Н. — Значит, достаточно расположить такой диод на пути тока из сети, чтобы он оказался выпрямленным, так как электроны могут идти только от катода к аноду, а не обратно.

Л. — Правильно. Кенотрон (рис. 80) может быть включен как со стороны положительного, так и отрицательного конца. Главное — это сделать так, чтобы направление движения электронов, полученное в результате работы кенотрона, соответствовало направлению их движения в лампах, по дорогам, идущим от катодов к анодам.

Рис. 80. Схема простейшего выпрямителя.

ОПАСНО!.. ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!

Н. — Боюсь, что высокое напряжение, полученное таким образом, будет недостаточным. Сеть, которая имеется у нас, дает только 127 или 220 в. А ведь ты говорил, что некоторые лампы должны иметь анодное напряжение в несколько сотен волы. Что же я сделаю с этим напряжением?..

Л. — Да у тебя не будет и этого, так как на выпрямительной лампе упадет часть напряжения; ведь она тоже имеет некоторое внутреннее сопротивление. Таким образом ты далеко не уедешь. К счастью, мы располагаем очень простым средством, позволяющим повышать в желаемом отношении напряжение переменного тока из сети.

Н. — Что же это за чудесное средство?

Л. — Это наш старый знакомый — трансформатор. Допустим, что мы имеем трансформатор с одинаковым количеством витков в первичной и вторичной обмотках. Если к первичной обмотке такого трансформатора подвести некоторое напряжение, то какое же напряжение появится на концах вторичной?

Н. — Я полагаю, что такое же, так как обмотки имеют одинаковое количество витков.

Л. — Правильно Теперь допустим, что трансформатор сделан с несколькими вторичными обмотками, например с тремя, каждая из которых имеет то же число витков, что и первичная обмотка. Подавая 127 в на первичную обмотку, мы получим также 127 в на каждой из вторичных обмоток. Соединим последовательно три вторичные обмотки так, чтобы одна являлась продолжением другой. Тогда напряжения всех обмоток сложатся и между началом первой обмотки и концом третьей мы получим напряжение, равное 380 в.

Н. — При этом три вторичные обмотки являются по существу одной обмоткой. И чтобы показать, что я не забыл законов индукции, я делаю вывод что трансформатор способен повышать (или понижать) напряжение во столько раз, во сколько его вторичная обмотка имеет больше (или меньше) витков, чем первичная обмотка.

Л. — Ну, Незнайкин, я тебя поздравляю, ты ответил прямо как урок по физике и все меньше заслуживаешь свое имя. Таким образом, мы установили, что, применяя трансформатор, можно повысить напряжение перед тем, как его выпрямить (рис. 81). В зависимости от требуемого напряжения мы выбираем необходимое соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток, или коэффициент трансформации.

Рис. 81. Схема выпрямителя с повышающим трансформатором.

Н. — Но во всем этом есть одно обстоятельство, которое меня смущает. Каждый период переменного тока имеет два полупериода различной полярности, а для работы мы используем только один из них (рис. 82). Нет ли какого-либо устройства, которое позволило бы использовать для питания приемника также и второй полупериод переменного тока, придав ему необходимое напряжение?

Рис. 82. Сплошной линией показаны положительные полупериоды тока, выпрямленного по схемам на рис. 80 и 81; пунктиром изображены отрицательные полупериоды, не пропущенные кенотроном.

МЕТОД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ «НЕГОДНЫХ» ПОЛУПЕРИОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Л. — Да, есть, это осуществляется в так называемом двухполупериодном выпрямителе переменного тока. Для этого мы используем два одинаковых устройства питания по схеме на рис. 81. Расположив их рядом (рис. 83), мы видим, что в нагрузках (т.е. в приемниках) обоих выпрямителей ток имеет одно и то же направление. Следовательно, оба выпрямителя можно использовать для питания одного приемника (рис. 84). При этом каждый из кенотронов будет выпрямлять один из двух полупериодов переменного тока. Ты легко сможешь проследить теперь сам путь тока для каждого полупериода.

Рис. 83. Две схемы выпрямителей, аналогичные схеме, изображенной на рис. 81, причем каждая выпрямляет один из полупериодов переменного тока.

Рис. 84. Два выпрямителя по схемам на рис. 83 питают один и тот же приемник, выпрямляя оба полупериода переменного тока.

Н. — Пусть во время первого полупериода переменного тока электроны пройдут через витки вторичной обмотки w₁, слева направо. Пройдя через приемник и лампу Л₁ они возвратятся к обмотке w₁. Пройти через обмотку w₂ электроны не смогут, так как при этом они должны пройти через лампу Л₂ от анода к катоду, а это им запрещено.

В следующий полупериод электроны через обмотку w₁ не пройдут, так как они не смогут пройти через кенотрон Л₁ от анода к катоду. Но они свободно пройдут через обмотку w₂ (справа налево), приемник и кенотрон Л₂, причем направление их через приемник оказывается таким же, как и в течение первого полупериода.

Л. — Вот видишь, таким образом нам удается использовать оба полупериода переменного тока (рис. 85). Заметь теперь, что обе вторичные обмотки имеют одну общую точку. Это дает возможность заменить два трансформатора одним, во вторичной обмотке которого делается отвод от средней точки.

Рис. 85. Сплошной линией показана форма тока при двухполупериодном выпрямлении; пунктиром изображены полупериоды, задержанные одним выпрямителем, но выпрямленные другим.

Кроме того, можно применить специальный кенотрон, в баллоне которого помещены общий катод и два анода. Такая лампа называется двуханодным кенотроном. Схема двухтактного выпрямителя с двуханодным кенотроном показана на рис. 86.

Рис. 86. Два кенотрона в схеме на рис. 84 заменены одним двуханодным кенотроном.

ПРОБЛЕМЫ РАВНОВЕСИЯ

Н. — Но каким образом во всех кенотронах осуществляется нагрев нити и соответственно катода для получения электронной эмиссии?

Л. — Нить нагревается переменным током низкого напряжения (обычно от 4 до 6,3 в). Для этого можно использовать второй трансформатор, понижающий напряжение электросети до необходимой величины. Однако чаще всего напряжение накала получают со специальной вторичной обмотки с малым числом витков, которая наматывается на трансформаторе питания в дополнение к обмотке высокого напряжения. Так как кенотроны должны выпрямлять достаточно большой ток, часто используются катоды прямого накала. В этом случае нить накала сама является источником электронов.

Н. — А в этом случае катод тоже нагревают переменным током?

Л. — Конечно. Практически однополупериодные (рис. 81) и двухполупериодные (рис. 86) выпрямители имеют вид, показанный на рис. 87 и 88, соответственно.

Рис. 87. Практическая схема выпрямителя, приведенного на рис. 81 (стрелками показано направление тока).

Рис. 88. Практическая схема выпрямителя, приведенного на рис. 86 (стрелками показано направление выпрямленного тока).

Н. — Почему в этих схемах приемник соединен с отводом от средней точки накальной обмотки трансформатора, а не непосредственно с нитью кенотрона?

Л. — Потому, что если потенциал катода кенотрона с косвенным накалом одинаков во всех точках, то потенциал нити, через которую проходит переменный ток, в разных точках непрерывно меняется. По отношению к средней точке нити ее концы все время будут иметь, например при напряжении накала 4 в, то +2, то —2 в.

Н. — Это напоминает мне качели, которые я соорудил в раннем детстве, положив доску на треногу.

Л. — Единственной точкой, остающейся неподвижной у этих качелей, является средняя точка. Точно так же и у нити накала единственной точкой, потенциал которой остается постоянным, является средняя точка. Но так как трудно добраться до середины нити, находящейся в баллоне, мы присоединяем нагрузку к средней точке накальной обмотки. С точки зрения потенциала эти две точки эквивалентны.

ОДЕКОЛОН… И СГЛАЖИВАНИЕ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА

Н. — Меня немного беспокоит то, что в выпрямителях катод лампы представляет собой положительный, а обмотка анода — отрицательный полюс. До настоящего времени я привык, что отрицательный знак в лампах радиоприемника относится к катоду, а положительный — к аноду.

Л. — Твое беспокойство лишено оснований. Разве не нормально, что источник энергии как бы противоположен устройству, потребляющему ее?.. А потом не забывай, что мы называем «анодом» точку, через которую электроны выходят, а «катодом» — точку, через которую они входят. И, действительно, выходя из анодов ламп приемника, электроны входят в катод выпрямителя, выходят из его анода и входят в катоды приемных ламп. Теперь ты видишь, что все правильно.

Н. — Безусловно. Извини, но сегодня у меня ужасный дух противоречия… Итак, говорю я, ток, вырабатываемый выпрямителем (рис. 82 или 85), далек от приятного постоянства, характеризующего настоящий постоянный ток. Хотя твой выпрямленный ток и не меняет направления, тем не менее он постоянно изменяет свою величину.

Л. — Конечно, если ты захочешь использовать его в таком необработанном виде и подашь на лампы приемника, их анодный ток будет также следовать этим изменениям и в результате громкоговоритель будет невероятно гудеть.

Н. — Но ведь, наверное, есть средство, чтобы выпрямленный ток сделать действительно постоянным?

Л. — Конечно. Это достигается с помощью сглаживания или, как говорят, фильтрации. Выпрямленный необработанный ток можно сравнить со струей одеколона из упрощенного пульверизатора, имеющего только один баллон, который последовательно сжимают несколько раз. Благодаря клапанам, находящимся на входе и выходе баллона, переменное сжимание и разжимание создает на выходе пульверизатора прерывистую струю одного направления.

Н. — Так ведь это тоже выпрямление!

Л. — Да… Но в более совершенных пульверизаторах подача одеколона происходит непрерывной струей благодаря наличию второго баллона, помещаемого вслед за первым. Второй баллон с тонкими и гибкими резиновыми стенками раздувается, получив порцию воздуха из первого баллона. Затем, когда первый баллон разжимается и всасывает новую порцию воздуха, второй медленно сжимается, подавая накопленный воздух в отверстие пульверизатора в виде более или менее постоянной струи воздуха. Таким образом, второй баллон играет роль резервуара, предназначенного выравнивать подачу воздуха путем накапливания его избытка в момент подачи очередной порции и затем плавного расходования.

Не вспоминаешь ли ты кое-что, играющее подобную же роль в электрических схемах?

Н. — Конденсатор!.. Он тоже способен заряжаться и разряжаться.

Л. — Именно конденсатор мы и используем для фильтрации. Включая его между положительным и отрицательным полюсами выпрямителя, мы выравниваем подачу. Однако одного конденсатора, даже большой емкости, может оказаться недостаточно.

Вспомним принцип махового колеса, которое служит в паровых машинах и двигателях внутреннего сгорания для сглаживания неравномерности возвратно-поступательного движения, производимого поршнем. Своей инерцией маховое колесо поддерживает равномерность движения. Знакома ли тебе электрическая величина, которая, подобно инерции, противодействовала бы изменениям электрического тока?

Н. — Конечно, это индуктивность.

Л. — Отлично Так вот на пути выпрямленного тока мы и поместим катушку с сердечником большой индуктивности (ведь мы имеем дело с очень низкой частотой), а после нее закроем выход фильтра (рис. 89) вторым конденсатором, который будет завершать сглаживание. Впрочем, если надо получить очень тщательную фильтрацию, можно использовать две или три ячейки фильтра, подобные той, которая показана на рис. 89, включив их последовательно. Однако обычно бывает достаточно и одной ячейки для того, чтобы выпрямленный ток не давал фона.

Рис. 89. Звено фильтра, помещенное между выпрямителем и приемником, служит для сглаживании пульсаций тока.

Н. — Последний вопрос. Как нагревают нити накала ламп приемника? Я думаю, что тоже переменным током.

В ПОСЛЕДНИЙ РАЗ О НАКАЛЕ

Л. — Да, ты не ошибся Для этого на трансформаторе питания (рис. 90) помещается еще одна обмотка низкого напряжения, которая служит для нагрева нитей ламп. Обычно все лампы имеют катод с косвенным накалом, за исключением иногда последней (выходной) лампы. Эта лампа должна питать громкоговоритель относительно большим током, и для получения большой электронной эмиссии (как и в кенотронах) в мощных усилительных лампах некоторых типов предпочитают использовать в качестве катода непосредственно нить накала.

Рис. 90. Схема полного питания приемника от сети переменного тока: питание накала, выпрямление и фильтрация высокого напряжения.

Н. — А как же подают смещение на такую лампу?

Л. — Как и для ламп с косвенным накалом, сообщая катоду положительное напряжение относительно сетки при помощи резистора, включенного между катодом и отрицательным полюсом источника высокого напряжения. Только здесь потенциал катода непрерывно изменяется, поэтому, как и в случае кенотронов с прямым накалом, резистор смещения одним концом присоединяется не к одному из концов нити накала, а к средней точке накальной обмотки. Так вот, Незнайкин, теперь ты знаешь все, что тебе нужно, о питании приемников.

НЕЗНАЙКИН СОВЕРШАЕТ НЕПРОСТИТЕЛЬНУЮ ОШИБКУ

Н. — Я с этим не согласен. Не забудь, что у меня есть дядюшка художник-юморист, которому я обещал собрать приемник и который пользуется сетью постоянного тока 110 в.

Л. — Пользуется! От этого не много пользы. Ведь в случае сети постоянного тока нечего и думать о повышении напряжения, если только не применить электродвигатель, соединенный с генератором переменного тока.

Н. — А трансформатор?..

Л. — Незнайкин! Ты меня заставляешь краснеть из-за твоего невежества! Значит, ты забыл, несчастный, что трансформатор основан на принципе индукции и что индукция наблюдается лишь при изменениях тока.

Н. — Да, это верно, я об этом не подумал. Значит, трансформатор при постоянном токе ни к чему. Но как же тогда быть?

Л. — Довольствоваться имеющимся напряжением, уменьшая по возможности потери напряжения. К счастью, существуют специальные лампы для этого случая, которые даже с анодным напряжением 100 в имеют хороший к.п.д. Само собой разумеется, что нет нужды «выпрямлять» постоянный ток. Но тем не менее необходимо его фильтровать.

Н. — Фильтровать постоянный ток?!.. Но ведь он же постоянный?!!

Л. — Не нервничай, дружище. Ток электросети, который мы называем постоянным, на самом деле имеет незначительные колебания, которые вызваны самим способом его получения. Так называемые машины постоянного тока в действительности вырабатывают переменный ток, выпрямляемый при помощи синхронного выпрямителя, называемого «коллектором».

Н. — Это дьявольски сложно, и я ничего не понимаю.

Л. — Ты бы меня понял, имея хотя бы элементарные представления об электрических машинах. Но это совсем необязательно для изучения радио. Достаточно знать, что в сети постоянного тока напряжение имеет некоторую пульсацию и, прежде чем использовать его для питания лампы, нужно применить фильтр, аналогичный изображенному на рис. 89.

Н. — Да, но как же быть с накалом?

Л. — Постоянный ток в этом отношении менее гибок, чем переменный. Не имея возможности понизить напряжение при помощи трансформатора, можно воспользоваться способом гашения напряжения. Для этого надо применять резисторы с точно рассчитанными сопротивлениями, на которых погасится излишек напряжения. Впрочем, для накала постоянным током применяют лампы, нить которых рассчитана на напряжение в несколько десятков вольт. Наконец, можно нити этих ламп включить последовательно. Так, пять ламп, каждая из которых требует 20 в, включенные последовательно, требуют уже 100 в. Можно, не опасаясь, подать на них 110 в от электросети, которой пользуется твой дядюшка.

Н. — Значит, это тот же принцип, который используется при составлении елочной гирлянды из осветительных лампочек с низким напряжением накала, включенных последовательно.

Л. — Да, конечно. А теперь, Незнайкин, так как ты уже посвящен во все тайны питания от сетей переменного и постоянного тока, могу ли я отдохнуть?..