ОДНОТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Прежде чем говорить об усилении и усилителях электрических сигналов, полезно задуматься над некоторыми простыми, на первый взгляд даже наивными вопросами. В чем состоит сущность усиления? Каким способом осуществляется усиление электрических сигналов? Чем отличается усиленный сигнал от усиливаемого, в чем они похожи? И что вообще означает слово «усиленный» применительно к электрическому сигналу?

Начнем с последнего вопроса. Когда мы говорим об усилении сигнала, то прежде всего имеем в виду усиление, выражаясь точнее, увеличение мощности. Совершенно ясно, что при усилении мощности обязательно возрастает ток или напряжение – ведь именно они и определяют мощность (рис. 30, 8, б ). Но только по одной из этих величин – только по току или только по напряжению – нельзя судить, усиливается сигнал или нет. Вспомните, что обычный трансформатор может повысить переменное напряжение во сколько угодно раз, однако мы не считаем, что он усиливает сигнал. Во сколько раз трансформатор повышает напряжение, во столько же раз он понижает ток, и поэтому мощность на выходе не возрастает – усиления сигнала нет. Да и откуда на выходе трансформатора может появиться усиленная мощность? Чтобы увеличить мощность, нужен источник дополнительной энергии.

Теперь попробуем взяться за дело с другого конца. Предположим, что у нас есть необходимый источник электроэнергии – мощная гальваническая батарея. Может ли она сама по себе усилить электрический сигнал? Конечно, нет. Батарея может дать необходимую энергию, но не в том виде, в каком нужно. Батарея дает постоянный ток, а электрический сигнал – это переменный ток, причем не просто переменный, а ток сложной формы, со сложным характером изменения. Именно эта сложность и отличает одни сигналы от других, именно в ней скрыты неповторимые тембры шаляпинского голоса, тайные шорохи ночного леса или многоголосье большого симфонического оркестра. Мы сможем считать, что добились цели, добились усиления, если заставим батарею отдавать энергию в виде сложного по форме тока, в виде своего рода мощной копии усиливаемого сигнала.

Наряду с источником энергии в усилителе обязательно имеется управляющий (часто говорят: усилительный) элемент. Именно с его помощью мы управляем мощными потоками энергии, копируя все изменения слабого сигнала. Пример простейшего управляющего элемента – обычный водопроводный кран. Легким поворотом рукоятки крана можно управлять мощным потоком воды и таким путем создать своего рода сложный водяной сигнал.

При усилении электрических сигналов роль управляющего элемента чаше всего выполняет электронная лампа или транзистор. В ряде случаев применяют и другие усилительные (управляющие) приборы – магнитный, диэлектрический, криотронный (сверхпроводниковый). Все эти приборы можно сравнить с переменным сопротивлением, включенным в цепь мощного источника тока. Мы затрачиваем сравнительно небольшую мощность (усиливаемый сигнал), чтобы менять величину этого сопротивления, а в результате получаем значительные изменения мощности в цепи, куда это сопротивление включено. С помощью такого сопротивления (лампа, транзистор и т. п.) легко управлять мощным источником электроэнергии и «рисовать» в его цепи сложный электрический сигнал.

Итак, усиление электрического сигнала практически сводится к созданию его мощной копии. Энергию для этой мощной копии дает дополнительный источник, в нашем примере – батарея. Слабый (усиливаемый) сигнал может управлять работой мощного источника с помощью своеобразного рычага – электронной лампы, транзистора или другого управляющего прибора. При этом необходимо выполнить два условия. Условие первое: копия должна быть мощнее оригинала – в этом‑то и состоит смысл усиления. Условие второе: копия действительно должна быть копией – форма графиков входного и выходного сигналов должна быть одинаковой. Нужно заметить, что в ряде случаев второе условие выполняется не очень строго, а иногда даже умышленно нарушается. Однако в усилителях низкой частоты (сокращенно НЧ), конечная цель которых создать мощную копию для воспроизведения звука, второе условие остается непоколебимым.

Таковы общие идеи, общие принципы усиления. Теперь посмотрим, как они воплощаются в конкретных приборах и аппаратах, в конкретных схемах усилителей.

Шаг назад

Эта книга рассчитана на радиолюбителей, знакомых с элементами электротехники, радиотехники, электроники и имеющих некоторый опыт в конструировании приемников и усилителей.

Во всяком случае, предполагается, что вы знакомы с типичной схемой простейшего двухлампового усилителя НЧ (рис. 44), знаете, как его собрать и наладить. Этот усилитель будет своего рода стартовой линией – от него мы будем постепенно, шаг за шагом, двигаться дальше, разбирая более сложные и более совершенные схемы и конструкции. Взглянув на «линию старта», – на схему рис. 44, вы не встретите в ней каких‑либо неясностей и сочтете себя вполне подготовленными к тому, чтобы немедленно отправиться в путь. И все же не торопитесь. Многим из вас наверняка полезно перед стартом сделать шаг назад и хотя бы мельком оглянуться на тот путь, который привел вас от основ электротехники к практическим схемам электронных усилителей [6, 7]. На рис. 30 показаны некоторые этапы этого пути. Ниже даются короткие пояснения к рисункам и формулам.

1. Здесь приведены некоторые утвержденные Государственным стандартом (ГОСТ) условные обозначения для электрических схем. Чтобы не загромождать чертежи длинными надписями, громкоговорители, микрофоны, конденсаторы, переключатели, дроссели обозначают сокращенно буквами: Гр, М, С, П, Др . Цифра‑индекс рядом с буквой – это порядковый номер детали для данной схемы.

Сокращенно обозначают также величины сопротивлений и конденсаторов. Вместо слова «килоом» пишут букву «к», вместо слов «ом» и «мегом» вообще ничего не пишут. Чтобы не спутать омы с мегомами (ошибка в миллион раз!), сопротивление в мегомах всегда выражают в виде десятичной дроби, а проще – в виде цифры с запятой. При этом, разумеется, сопротивление в омах должно быть округлено до целого числа.

Если цифра с запятой относится к емкости конденсатора, то это значит, что емкость указана в микрофарадах (мкф). Емкость в пикофарадах (пф) выражают целым числом – цифрой без запятой. Иногда рядом с емкостью конденсатора указывают напряжение, на которое он рассчитан.

Примеры.

R – 100 означает 100 ом

R – 100 к » 100 ком

R – 100,0 » 100 Moм

R – 0,1 » 0,1 Moм, то есть 100 ком.

С – 100 означает 100 пф

С – 100,0 » 100 мкф

С – 0,1 » 0,1 мкф

С – 100,0 х 20 в означает 100 мкф с рабочим напряжением 20 в.

С помощью условных обозначений составляют принципиальную схему приемника, усилителя, магнитофона, где показаны соединения всех его элементов, показаны все электрические цепи аппарата.

2. Опытный специалист может многое прочесть на принципиальной схеме. Он узнает, на каких участках какие действуют напряжения, где ослабляется, а где усиливается сигнал, по каким цепям проходят токи. Чтобы было удобнее (обратите внимание – это делается только для удобства!) «водить пальцем» по схеме и следить за прохождением постоянного (пульсирующего) тока, для него введено условное направление– от «плюса» к «минусу». Это пришлось сделать потому, что заряды в электрических цепях и приборах двигаются в двух направлениях: электроны – от «минуса» к «плюсу», положительные заряды – от «плюса» к «минусу».

Рассматривая схемы, необязательно знать, какие заряды в действительности создают ток. Можно считать, что ток – это всегда движение положительных зарядов и, конечно, всегда от «плюса» к «минусу».

3. Единица э. д. с. и напряжения – вольт (в), тока – ампер (а), мощности – ватт (вт) или вольтампер (ва), сопротивления (ом), емкости – фарада (ф), индуктивности – генри (г), частоты – герц (гц), электрического заряда – кулон (к). Часто пользуются более крупными или более мелкими единицами: например, такими, как киловатт (квт), или микроампер (мка). Их образуют прибавлением соответствующей приставки (в скобках – сокращенное латинское написание) к основной единице.

Пример.1 мка (микроампер) = 10^‑6 а; 1 пф (пикофарада) = 10^‑12 ф; 1 Мом (мегом) = 10⁶ ом.

4. Наверняка сейчас уже трудно найти человека, который не знал бы первой формулы (б). Это закон Ома. Чем больше э. д. с. Е , то есть чем больше сила, выталкивающая заряды из генератора (в нашем примере из батарейки), и чем меньше сопротивление R цепи, то есть чем меньше эта цепь препятствует движению зарядов, тем больше ток I в цепи.

Единица тока 1 а соответствует заряду 1 к (кулон – = 6 280000000 000000000 зарядов электрона), проходящему через поперечное сечение проводника за 1 сек. Две другие формулы (в, г) предназначены для расчетов и получены из первой путем простейших алгебраических преобразований.

Для облегчения вычислений можно пользоваться таблицей д . В каждом вертикальном столбце находятся «комплекты» единиц для расчетов по формулам закона Ома.

Примеры.Дано: Е = 4,5 в (4500 мв); R = 9 ком.

Находим: I = 0,5 ма.

Дано: I = 0,2 мка; R = 10 Мом.

Находим: Е = 2 в.

5. Любая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных сопротивлений (5, а ) представляет собой делитель напряжения. Генератор (батарея) распределяет свои силы, и на каждом участке действует некоторая часть э. д. с., так называемое напряжение U на участке цепи. Напряжение на каком‑либо участке тем больше, чем сильнее ток и чем больше сопротивление этого участка (5, д ). А поскольку ток во всей цепи одинаков, то напряжение распределяется пропорционально величинам сопротивлений (5, а, б, з). Сумма всех напряжений равна величине э. д. с. (5, и ). Соотношение между напряжением, током и сопротивлением на участке цепи (5, д, ж, е ) аналогично формулам закона Ома (4, б, в, г ).

Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений участков (г). Если сопротивления резко отличаются по величине, то R_общ примерно равно большему сопротивлению.

Примеры.Дано: I = 50 ма; R₁ = 20 ом; R₂ = 1 ком.

Находим: U₁ = 1 в; U₂ = 50 в; R_общ = 1020 ом ~= R₂

Дано: R₁ = 2 Мом; R₂ = 3 Мом; Е = 10 в.

Находим: U₁ = 4 в; U₂ = 6 в; R_общ = 5 Мом.

6. Шутя можно сказать, что величина э. д. с. – типичное очковтирательство. Дело в том, что в любом генераторе есть собственные внутренние потери R_вн , и на них расходуется часть э. д. с. (U_вн ). Поэтому в «рабочей обстановке» при замкнутой цепи напряжение U_Г на выходе генератора (часто говорят: на зажимах) всегда меньше, чем э. д. с. С увеличением нагрузки (увеличить нагрузку – это значит уменьшить R_н ), то есть с увеличением потребляемого тока I _н , напряжение на зажимах падает (6, б).

Примеры.Дано: Е = 4,5 в; R_вн = 2 ом; I_н = 0,5 а.

Находим: U_вн = 1 в; U_Г = 3,5 в.

Дано: Е = 4,5 в; R_вн = 2 ом; I_н = 2 а.

Находим: U_вн = 4 в; U_Г = 0,5 в.

7. Если участки цепи в простейшем случае сопротивления соединены параллельно (7, а ), то общий ток, проходя через них, разветвится – большая часть тока пойдет по пути наименьшего сопротивления (7, б, в ). Обычно одно из сопротивлений по каким‑то причинам считают главным, а второе называют шунтом, ответвлением. Подключение шунта и ответвление некоторой части общего тока от главного пути называют шунтированием. Чем сильнее зашунтирован главный участок R₂ (то есть чем меньше R_ш ), тем меньшая часть общего тока идет по основному пути.

При параллельном соединении общее сопротивление (7, г ) всегда меньше наименьшего из сопротивлений, а при большой разнице между R₂ и R_ш примерно равно наименьшему. Если R₂ = R_ш то общее сопротивление равно половине одного из них.

Анализ сложных электрических цепей чем‑то напоминает игру в шахматы – нужно одновременно удерживать в памяти довольно много данных, предвидеть события на много ходов вперед. Для иллюстрации сказанного попробуйте уменьшить R_ш на нашей довольно простой схеме. При этом уменьшится R_АБ и, как следствие, снизится общее сопротивление всей цепи (7, д ), возрастет ток I_общ , а это, в свою очередь, увеличит напряжение U₁ . К этому выводу, правда, можно было прийти и более коротким путем: если уменьшить R_ш , то изменится соотношение сопротивлений делителя R₁:R_АБ , а значит, и соотношение напряжений U₁ :U_АБ (5, з ).

Примеры.Дано: U_Г = 240 в; R₁ = 40 ком; R ₂ = 40 ком; R_ш = 40 ком.

Находим: R_АБ = 20 ком; R_общ = 60 ком; I_общ = 4 ма; U₁ = 160 в; U_АБ = 80 в; I_ш = 2 ма; I ₂ = 2 ма.

Уменьшим R_ш до 1 ком. При этом R_АБ = 980 ом ~= R_ш; R_общ = 41 ком; I_общ = 5,9 ма; U₁ = 234 в; U_АБ = 6 в; I₂ = 0,15 ма; I_ш = 5,75 ма.

8. Мощность Р , потребляемая каким‑либо участком электрической цепи (8, а ), в равной степени зависит и от тока I и от напряжения U на этом участке (8, б). Чем больше напряжение, тем большую работу выполняет каждый движущийся заряд; чем больше ток, тем более массовый характер носит движение зарядов, большее число «работников» проходит по проводнику в единицу времени. Все это говорит о том, что одну и ту же мощность можно получить при большом токе и малом напряжении или, наоборот, при большом напряжении и малом токе (8, д ). Подставляя в формулу мощности выражения для I или U , взятые из закона Ома для участка цепи (5, д, е ), получаем удобные расчетные формулы (8, в, г ).

Табл. 8, е аналогично табл. 4, д дает комплекты единиц для расчетов мощности.

Примеры.Дано: U = 120 в; I = 0,5 а.

Находим: Р = 60 вт.

Дано: U = 220 в; I = 0,28 а.

Находим: Р = 60 вт.

Дано: I = 5 ма (0,005 а); R = 20 ком (20 000 ом).

Находим: Р = 0,5 вт.

Дано: U = 250 мв (0,25 в); R = 10 ком (10 000 ом).

Находим: Р = 6,25 мквт.

9. Взглянув на графики 9, б и в , вы, очевидно, сразу поняли, что мы начинаем новую главу воспоминаний. Ее можно было бы назвать: «Что нужно постоянно помнить о переменном токе». На графиках показан синусоидальный переменный ток и такое же напряжение. Практически мы будем почти всегда иметь дело с переменными токами сложной формы.

Эффективным называют такое значение тока или напряжения, которое говорит о его способности выполнять работу в среднем за весь период. Ясно, что эффективное значение меньше амплитудного: ведь амплитуда – это довольно редкое явление, своего рода трудовой рекорд. Когда приводят данные генератора или потребителя электроэнергии, одним словом, почти всегда, когда говорят о переменном напряжении, токе или мощности, имеют в виду только их эффективные значения U_эф, P_эф и I_эф , которые для синусоидального тока легко перевести в амплитудные (9, г, д, е, ж, з). Монополия эффективных значений настолько укрепилась, что индекс «эф» теперь почти никогда не ставят. И если возле букв U, I, Р нет индекса «эф», значит речь идет об эффективном значении.

Примеры. Дано: U_эф = 127 в.

Находим: U_ампл = 180 в.

Дано: U_эф = 220 в.

Находим: P_эф = 310 в.

Дано: U_эф = 6,3 в, I_эф = 0,3 а.

Находим: P_эф = 2 вт; P_ампл = 4 вт.

Для переменного тока действительны те же соотношения между э.д.с., сопротивлением, напряжением, током и мощностью, которые были приведены для постоянного тока (рис. 30, 4, 5, 6, 7, 8 ). Однако эти соотношения действительны только для цепей, которые состоят из активных сопротивлений. Как только в цепи появляется так называемый реактивный элемент, например конденсатор или катушка, все электротехнические законы и правила приобретают уже совсем другой вид.

10. Постоянного тока конденсатор не пропускает – между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается (10, а ) и разряжается (10, в ), в его цепи все‑таки возникает кратковременный ток – заряды двигаются на обкладки или уходят с них. Под действием переменного напряжения циклы заряд‑разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора протекает переменный ток (10, г ). Естественно, что величина тока зависит от напряжения: чем больше U_с , тем больше I_с . Кроме того, ток возрастает с увеличением частоты: чем больше f , тем чаще двигаются заряды «туда‑обратно» и тем опять‑таки больше I_с . Наконец, есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С , тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор представляют в виде некоторого условного сопротивления – емкостного сопротивление хс, от которого зависит величина тока.

Само же х_с зависит от частоты и емкости конденсатора (10, д, е, ж, з; формулы действительны только для синусоидального тока); с увеличением f или С величина х_с падает (ток возрастает). Сопротивление х_с называют реактивным. Оно не потребляет энергии, а лишь влияет на величину тока. Вместо примеров приводим таблицу значений х_с для некоторых частот и некоторых емкостей конденсатора (табл. 10).

11. Совсем иначе ведет себя в цепи катушка индуктивности. Ее общее сопротивление складывается из двух частей: активного сопротивления проводов и индуктивного сопротивления х_L . Индуктивное сопротивление х_L пришлось ввести потому, что катушка особым, «хитрым» способом влияет на величину тока – с помощью собственного магнитного поля катушка сама в себе наводит э.д.с. («противо э.д.с. самоиндукции»), которая действует против напряжения генератора. Чем выше частота f и больше индуктивность катушки L , тем сильнее эта противодействующая э. д. с., тем, следовательно, больше x_L (табл. 10) и меньше ток.

Величина индуктивности зависит от данных самой катушки. С увеличением числа витков и размеров сердечника индуктивность растет.

12. Катушка наводит э.д.с. не только сама в себе, но и в соседней катушке, если, конечно, та находится в сфере влияния магнитного поля. Весь процесс выглядит примерно так.

К первой катушке (ее называют первичной обмоткой) подводится переменное напряжение, создающее переменный ток, под действием которого возникает переменное магнитное поле. Оно охватывает витки второй катушки (ее называют вторичной обмоткой) и наводит в ней переменное напряжение (если не учитывать потери, можно говорить о наведенной э.д.с.), под действием которого в цепи появляется переменный ток. Обратите внимание, как часто повторяется здесь слово «переменный», – напряжение во вторичной обмотке наводится только при изменении магнитного поля. Иногда об этом говорят так: «Постоянный ток не трансформируется».

Система из двух или нескольких связанных магнитным полем катушек– это и есть трансформатор. В дальнейшем мы будем говорить о трансформаторах, где все катушки связаны очень сильно – они находятся на общем стальном сердечнике. Соотношение токов и напряжений в обмотках определяется коэффициентом трансформации n . Трансформатор повышает напряжение, если n > 1, и понижает, если n < 1.

Все это, разумеется, условно: трансформатор – машина обратимая, он может быть и понижающим и повышающим в зависимости от того, к каким обмоткам вы подключите генератор и нагрузку. Очень распространены трансформаторы с несколькими обмотками, дающие несколько различных напряжений (12, з). Диаметр провода для обмоток выбирают с учетом проходящего по ним тока (табл. 11).

Мощность Р₁ , потребляемая трансформатором, а значит, и ток I₁ в первичной обмотке зависят от той мощности Р₂ , которую потребляет нагрузка R_н . Если, например, уменьшить R_н , то есть увеличить I₂ , то одновременно возрастет общая потребляемая мощность Р₁ и ток I₁ . Эту последнюю зависимость удобно выражать с помощью условного сопротивления R'_н (12, а, е ), которое как бы вносится в первичную цепь из вторичной. Если трансформатор повышающий, то R'_н < R_н, а если понижающий, то к R'_н > R_н . Любой короткозамкнутый виток или группа витков представляют собой недопустимо большую нагрузку и могут вывести из строя весь трансформатор. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход) трансформатор практически ничего не потребляет.

Пример.Дано: обмотка I – 1200 витков; обмотка II – 60 витков; U₁ = 120 в; R_н = 10 ом.

Находим: n = 0,05; U₂ = 6 в; I₁ = 0,005 а; I₂ = 0,1 а; P₁ ~= Р₂ = 0,6 вт. Число витков на 1 в – 10.

Трансформатор, в котором роль вторичной обмотки II выполняет часть первичной обмотки I , называется автотрансформатором (12, и ). Часто в автотрансформаторе (а также в первичной обмотке трансформатора) делают несколько отводов, для того, чтобы на него можно было подавать несколько различных напряжений. Это, в частности, удобно, когда трансформатор должен работать от сети с изменяющимся напряжением. Секция с большим числом витков соответствует большему напряжению. Коэффициент n для автотрансформатора определяется так же, как и для трансформатора.

13. Во многих цепях электронных устройств протекает пульсирующий ток. Величина его меняется, как у переменного, а направление остается неизменным, как у постоянного. Чтобы получить пульсирующий ток, можно использовать два генератора – постоянного и переменного тока.

14. Независимо от того, каким способом был создан пульсирующий ток, можно довольно просто разделить его основные составляющие – постоянную I₀ и переменную I_~ . Для этого применяют электрические фильтры – цепи, где эти составляющие встречают разное сопротивление. Так в фильтре RC конденсатор не пропустит постоянную составляющую и таким образом отделит ее от переменной. Фильтр RL рассчитывают так, чтобы для переменной составляющей x_L было намного больше R . Постоянная составляющая по катушке проходит почти беспрепятственно. Своеобразным фильтром является трансформатор – постоянная составляющая не наводит э.д.с. в его вторичной обмотке.

15. Фильтром является также колебательный контур – цепь, состоящая из конденсатора и катушки (15, а). Оба эти элемента являются накопителями энергии: в конденсаторе концентрируется электрическое поле, в катушке – магнитное. В процессе обмена энергией между накопителями (L и С ) в контуре протекает переменный ток определенной частоты.

Чем больше L и С , тем медленнее происходит процесс обмена, тем ниже частота f₀ . Все это напоминает уже знакомые нам механические колебания струны. Подобно струне, контур резонирует на колебания, частота f_рез которых равна его собственной f₀ (15, д). Благодаря этому с помощью колебательных контуров можно «вылавливать» отдельные синусоидальные составляющие (15, в, г) из электрического тока сложной формы (15, б).

16. Весьма распространенный процесс – выпрямление переменного тока начинается с превращения переменного тока в пульсирующий. Это можно сделать с помощью электрического вентиля – устройств, которое пропускает ток только в одну сторону (16, а, б).

17. Однополупериодный выпрямитель (16, в) работает через такт. Два таких выпрямителя, соединенных особым образом, дают двухполупериодную схему (17, а), которая использует оба полупериода переменного напряжения. Чтобы вентили двухполупериодной схемы работали поочередно, к ним нужно подвести два противофазных напряжения U₁ и U₂ . Их дает трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками или с одной обмоткой, имеющей удвоенное число витков и вывод от середины (средняя точка А ). Мостовая (или мостиковая) схема (17, е) позволяет получить двухполупериодное выпрямление только с одним источником переменного напряжения, например с одной повышающей обмоткой. Для этого, правда, требуется уже не два, а четыре вентиля. Они соединены так, что пропускают ток по сопротивлению нагрузки только в одну сторону как во время положительного, так и во время отрицательного полупериода.

18. Выпрямитель переменного тока необходим для питания от сети ламповых приемников и усилителей. Наряду с вентилем в такой выпрямитель входят фильтры, которые помогают отбросить переменные составляющие пульсирующего тока и выдать «продукцию без брака» – выпрямленный ток (напряжение) без пульсаций. Чаще всего применяется П‑образный RС ‑фильтр, в который входят электролитические конденсаторы С_ф1 и С_ф2 большой емкости. Для улучшения фильтрации желательно было бы увеличить и R_ф , однако величина его ограничена – на этом сопротивлении не должна теряться слишком большая часть выпрямленного напряжения (U_ф ). Трансформатор, работающий в выпрямителе, называют силовым или сетевым.

19. Роль вентиля может выполнять электронная лампа – диод (двухэлектродная). Из ее баллона откачан воздух – создан вакуум, в котором формируется направленный поток электронов. Источник электронов – катод К нагрет до высокой температуры подогревателем П , своего рода электроплиткой. Именно в результате нагрева катода электроны выходят за его пределы (термоэлектронная эмиссия). Если между анодом А и катодом включить батарею так, чтобы на аноде был «плюс» (19, б), то в лампе появится анодный ток – движение электронов от катода к аноду. Не забывайте, что условное направление тока – от анода к катоду: так двигались бы в лампе положительные заряды. Под действием переменного напряжения в лампе появляется пульсирующий ток (19, г).

20 . В простейшей усилительной лампе – триоде – на пути анодного тока установлена металлическая сетка (в современных лампах спираль). Управляющая сетка (УС) расположена близко к катоду, и поэтому напряжение, действующее между сеткой и катодом, весьма сильно влияет на величину анодного тока. К сеточной цепи (вход усилительного каскада) подключают источник усиливаемого сигнала, а в анодную цепь (выход каскада) включают нагрузку, где выделяется усиленный сигнал. Под действием входного сигнала меняется напряжение на сетке, и вместо постоянного анодного тока появляется ток сложной формы – нужная нам мощная копия. Энергию на ее создание дает анодная батарея. На анод триода всегда подают довольно высокое положительное напряжение U_в от анодной батареи или выпрямителя (50–250 в), а на накал – небольшое переменное напряжение U_н , для большинства ламп 6,3 в. Напряжение накала (его величину приближенно указывает первая цифра в названии лампы) обычно получают от отдельной обмотки силового трансформатора. Для удобства монтажа вместо одного из проводов используют металлическое шасси приемника или усилителя, и на схеме подключение к этому общему проводу показывают как соединение с шасси. Подключение к шасси часто называют заземлением. Все напряжения принято указывать относительно шасси. Для краткости говорят: «напряжение на аноде», «напряжение на сетке» и т. д., имея при этом в виду напряжение между анодом и шасси, сеткой и шасси и т. д.

21. Работу усилительного каскада хорошо иллюстрирует объединенный график, похожий на тот, который мы строили для громкоговорителя (рис. 16). Основа графика – анодно‑сеточная характеристика лампы (21, а), показывающая, как меняется анодный ток I_а при изменении напряжения на сетке U_с . К этой характеристике снизу мы пристраиваем график напряжения на управляющей сетке U_c . Располагаем его так, чтобы ось U_с совпала с такой же осью на ламповой характеристике. Теперь, следуя по маршруту «график U_c – характеристика лампы», можно быстро и легко найти значение I_а для любого момента времени t . Полученное значение тока тут же переносится на третий график, показывающий, как изменяется I_а с течением времени (21, в).

Вспомните, что заход на криволинейные участки характеристики громкоговорителя – верхний и нижний загибы – приводил к нелинейным искажениям воспроизводимого звука. Точно так же работа на загибах ламповой характеристики приведет к тому, что форма графика I_а будет отличаться от формы графика U_с. Иными словами, в процессе усиления сигнала появятся нелинейные искажения. Для того чтобы не выходить за пределы нелинейного участка, на сетку вместе с сигналом подают «минус» постоянного напряжения – смещение U_см . Этот «минус» определяет рабочую точку – режим лампы при отсутствии входного сигнала. Отрицательное смещение подбирают так, чтобы «исходная позиция» (рабочая точка) соответствовала середине прямолинейного участка на ламповой характеристике. С одной стороны граница прямолинейного участка проходит там, где начинаются положительные напряжения на сетке. Как только на сетке появится «плюс», она начнет притягивать электроны, появится сеточный ток I_с , и это приведет к некоторому уменьшению анодного тока (верхний загиб). С другой стороны прямолинейный участок ограничен областью, близкой к запиранию лампы: при больших отрицательных напряжениях сетка вообще не пропускает электроны к аноду, и анодный ток прекращается (нижний загиб).

22. Чтобы создать отрицательное смещение, можно включить в цепь сетки очень большое сопротивление (10–20 Мом). Единичные электроны всегда попадают на сетку, даже при отрицательных напряжениях на ней. Этого небольшого тока (доли микроампер) достаточно, чтобы на большом R_с создать смещение в несколько вольт.

Сопротивление в сеточной цепи – сопротивление утечки R_c (чаще всего 0,5–1 Мом) должно быть включено всегда при любой другой схеме смещения, так как всегда должен быть путь, по которому электроны смогут вернуться с сетки на катод. Иначе, накопившись на сетке, они создадут там большой «минус» и запрут лампу.

23. Обычно отрицательное смещение создают с помощью катодного сопротивления R_к . Проходя по нему, анодный ток создает напряжение U_см = I_а0 ·R_к – «Плюс» этого напряжения приложен к катоду, а «минус» через R_c – к сетке. Чтобы на R_к действовало только постоянное напряжение, переменную составляющую замыкают через конденсатор С_к . Его емкостное сопротивление х_с должно быть меньше R_к на самой низкой из возможных частот f_мин – по крайней мере в 5–10 раз. При этом на более высоких частотах подавно будет выполняться условие х_с < R_к .

Пример. Дано: I_а = 50 ма; U_cм = 10 в.

Находим: R_к = 200 ом (5, ж).

Задаемся: для 100 гц х_с = 40 ом, в 5 раз меньше, чем R_к .

Находим: С не менее 50 мкф (табл. 10). Мощность сопротивления R_к не менее P_к >= 0,5 вт (рис. 8, в ).

24. Усиление, которое дает каскад, так же, как выходная мощность Р_вых и выходное напряжение U_вых , зависит от величины сопротивления анодной нагрузки R_a . Чем больше R_a , тем больше напряжение, которое создает на нем анодный ток (5, д) и тем больше Р_вых и U_вых . В то же время чрезмерное увеличение R_a может ухудшить все эти показатели, а вдобавок еще и увеличить искажения. Вот почему для каждой лампы и каждого ее режима существует оптимальное (наивыгоднейшее) сопротивление нагрузки R_{а. опт} , при котором получается большое усиление, или малые искажения, или, наконец, удовлетворительно выполняются оба условия.

Если нагрузкой является обычное сопротивление, то приходится разделять постоянную и переменную составляющие анодного тока (напряжения) с помощью простейших фильтров. По цепочке R_c2С_с2 проходит часть переменной составляющей (только переменной – в цепи конденсатор!) анодного тока и создает на R_c2 переменное напряжение U_вых . Оно и представляет собой выходной сигнал в чистом виде.

Важно заметить, что в тот момент, когда растет U_с , то вместе с ним увеличиваются I_а и U_н , падение напряжения на нагрузке. В результате напряжение на аноде U_a уменьшается, то есть U_a и U_с изменяются в противофазе. По этому поводу принято говорить, что лампа поворачивает фазу на 180°(б, е).

25. Если нагрузкой лампы является низкоомный громкоговоритель, то его приходится включать в анодную цепь через трансформатор. Правильно рассчитав (б) коэффициент трансформации n , можно создать необходимое (обычно 2–10 ком) сопротивление нагрузки даже при небольшом (обычно 2–10 ом) сопротивлении звуковой катушки громкоговорителя.

Пример.Для лампы 6П14П при U_в = 250 в оптимальное сопротивление нагрузки R_{а. опт} = 5,2 ком. Необходимо подключить к лампе громкоговоритель 5ГД‑10 с сопротивлением звуковой катушки 4,5 ом. Находим: n = 0,03.

26. Простейшая усилительная лампа – триод – имеет два существенных недостатка. Во‑первых, анод и сетка образуют своего рода конденсатор С_ас , через который переменное напряжение попадает обратно из анодной цепи в сеточную. Во‑вторых, анодное напряжение, хотя и меньше, чем сеточное, но все же довольно сильно влияет на анодный ток, а это заметно ухудшает усилительные свойства лампы. Для устранения этих недостатков между анодом и управляющей сеткой располагают еще одну – экранную – сетку (ЭС) и получают четырехэлектродную лампу – тетрод. На экранную сетку подают положительное напряжение U_э0 . Оно всегда с равной силой подтягивает к аноду электроны, независимо от того, как меняется напряжение на самом аноде. Для переменного тока сетку заземляют: через конденсатор С_э ее соединяют с катодом или с корпусом. Переменные токи, которые в триоде через междуэлектродную емкость С_ас могли попасть в цепь управляющей сетки, в тетроде замкнутся по кратчайшему пути С_аэ – С_э (26, в). Напряжение на экранную сетку и на анод, как правило, подают от одного источника. Чтобы снизить U_э0 по сравнению с U_a0 чаще всего включают гасящее сопротивление R_э . Постоянная и составляющая экранного тока (на экранную сетку тоже попадают электроны!), проходя по R_э , создают на нем некоторое напряжение (U_Rэ = I_эо ·R_э ), которое вычитается из общего напряжения U_в . Емкость конденсатора С_э выбирается из тех же соображений, что и С_к : для частоты f_мин емкостное сопротивление должно быть значительно меньше, чем R_э . Чтобы снизить напряжение на экранной сетке, достаточно увеличить R_э .

Пример.Дано: U_в = 250 в; U_э0 = 100 в; I_э0 = 0,5 ма; f_мин = 50 гц.

Находим: U_Rэ = 150 в; R_э = 300 ком; С_э не менее 0,1 мкф; P_Rэ = 0,75 мвт.

27. Дальнейшее улучшение усилительных свойств лампы достигнуто в пентоде (пятиэлектродная лампа). Третья сетка расположена вблизи анода и отталкивает, возвращает обратно к аноду так называемые вторичные электроны, которые идут против общего тока – от анода к «плюсу» на экранной сетке. Это неприятное явление называют динатронным эффектом, а третью сетку – антидинатронной или пентодной (ПС). Ее обязательно соединяют с катодом, причем у некоторых ламп это соединение сделано внутри баллона (27, а). Существует еще один способ борьбы с динатронным эффектом: лучевые тетроды (27, в) и пентоды сконструированы так, что первичные электроны идут к аноду концентрированными пучками (лучами) и сами возвращают вторичные электроны обратно на анод.

28. Из большого числа комбинированных ламп (в одном баллоне две совершенно самостоятельные лампы) в усилителях НЧ чаще всего используются двойные триоды с общим (28, а) либо раздельными катодами (28, б).

29. Справочные данные о лампе включают ее цоколевку (схему соединения электродов с ножками цоколя), рекомендованные режимы U_ao, U_см, U_э0 , номинальные токи для этих режимов I_ao, I_э0 и основные параметры лампы S, μ и R _{i .}Крутизна S (б, в) показывает, насколько сильно напряжение U_c влияет на величину анодного тока I_а . Коэффициент усиления μ – это число, показывающее, во сколько раз напряжение на сетке U_c влияет на анодный ток I_а сильнее, чем U_a . Внутреннее сопротивление R_i показывает, насколько изменяется I_а при изменении U_a . Греческая буква Δ (дельта) говорит о том, что речь идет о небольших изменениях величин U_c, U_а и I_а . Параметры лампы можно определить по семейству характеристик (29, а) – по нескольким графикам зависимости от Uс , снятых для различных анодных напряжений. Эти графики снимают в идеальных условиях – когда лампа работает без анодной нагрузки. Если же включить нагрузку R_a , то одновременно с I_а будет меняться и U_a ; чем меньше отрицательное напряжение U_c на сетке, тем больше анодный ток, больше напряжение на нагрузке и меньше напряжение на самом аноде. Таким образом, реальная динамическая характеристика как бы объединяет несколько идеальных статистических характеристик и расположена более полого, то есть имеет меньшую крутизну, чем любая из них. Чем больше R _a, тем меньше крутизна динамической характеристики. Именно эту характеристику мы рисуем, когда строим объединенный график для реального усилительного каскада.

30. Для воспроизведения грамзаписей можно построить двухкаскадный усилитель НЧ. Главная задача второго (выходного) каскада – обеспечить достаточную выходную мощность. Для этого служат специальные выходные лампы (второй элемент обозначения – буква П), с довольно большим (десятки миллиампер) анодным током, высокой крутизной и сравнительно небольшим внутренним сопротивлением. Благодаря большому току лампа может создавать достаточно мощную электрическую копию (для распространенных типов ламп –5–6 вт) входного сигнала. Однако для этого напряжение на сетке лампы должно достигать 2–10 в. Ни один из известных нам переводчиков (в частности, звукосниматель) такого напряжения дать не может, и поэтому перед выходным каскадом необходим по крайней мере еще один каскад – усилитель напряжения. Для него используют триоды или пентоды небольшой мощности. Первый каскад усиливает напряжение, полученное от звукоснимателя, в 50–150 раз и обеспечивает достаточно высокую чувствительность усилителя.

Почти все детали схемы 30, 30 должны быть вам знакомы. Среди них вы найдете выходной трансформатор Тр_в , цепочки смещения R_к1, С_к1, R_к2, С_к2 , сопротивления утечки сетки R_c1, R_c2 , анодную нагрузку R_a1 , блокировочный конденсатор С_э1 – гасящее сопротивление R_э1 для установки необходимой величины U_э . Разделительный конденсатор С_с2 защищает управляющую сетку Л₂ от постоянного анодного напряжения и беспрепятственно пропускает усиленный сигнал. Переменное сопротивление R_c1 выполняет роль регулятора громкости. Оно включено как делитель напряжения – на сетку подается часть напряжения, которое дает звукосниматель Зв . Цепочка R_ТC_Т образует простейший регулятор тембра. Чем выше движок R_Т , тем меньшая часть этого сопротивления включена в цепь, тем большую роль играет конденсатор С_Т . Емкость его подобрана так, что С_Т замыкает на шасси высшие частоты входного сигнала лампы Л₂ и, следовательно, заваливает в этой области частотную характеристику. На низших частотах емкостное сопротивление конденсатора слишком велико, и он мало влияет на частотную характеристику на этом участке.

рис. 30 , 30

Рассмотрев схему двухкаскадного усилителя, мы вышли, наконец, на линию старта – копия этой схемы вместе со схемой выпрямителя и указанием данных всех деталей приведена на рис. 44. Здесь же показан один из вариантов монтажа усилителя. В усилителе применены силовой и выходной трансформаторы от приемника «Рекорд».

Рис. 44. Простой двухламповый усилитель