Обратная связь

В девятой беседе мы уже имели возможность рассмотреть эффект связи между цепями анода и сетки одной и той же лампы. Благодаря такой связи, которую называют обратной, анодная цепь воздействует на сеточную цепь, возбуждая в ней при каждом изменении анодного тока соответствующее напряжение. Полярность этого напряжения может совпадать с полярностью напряжения сеточной цепи; для этого достаточно, чтобы анодный ток протекал по виткам катушки обратной связи в соответствующем направлении.

Если связь между обеими цепями велика, то энергия, передаваемая из анодной цепи в сеточную, может оказаться достаточной для компенсации потерь и поддержания колебаний, вследствие чего схема превращается в генератор.

Если же связь мала, то обратной связи недостаточно для поддержания незатухающих колебаний. Однако, компенсируя большую или меньшую часть потерь сеточной цепи, обратная связь позволяет уменьшить затухание. Таким образом, переменное напряжение, поступившее с предыдущей лампы или из антенны, достигает большей величины, чем в условиях отсутствия обратной связи.

Сеточное напряжение влияет на анодный ток, который в свою очередь воздействует на цепь сетки, в результате чего усиление резко возрастает, что иногда важно для получения необходимой чувствительности без многочисленных усилителей высокой частоты

Регенеративный приемник

Классическим примером применения положительной обратной связи является регенеративный приемник, или регенератор (рис. 67), за которым обычно следуют каскады усиления низкой частоты. Эта схема уже многие годы пользуется широкой популярностью. Она позволяет получить хорошие чувствительность и избирательность при более или менее удовлетворительном качестве воспроизведения. Усиление достигает максимума, когда величина обратной связи соответствует порогу возникновения самовозбуждения, т. е. точке, после которой лампа начинает генерировать. Все искусство регулировки регенеративного приемника заключается в выборе этой связи, при превышении которой возникает самовозбуждение, препятствующее какому бы то ни было приему. Следует отметить, что при такой погоне за чувствительностью жертвуют музыкальностью, потому что на пороге самовозбуждения избирательность контура слишком велика, что приводит к потере высоких частот (позднее мы выясним причины этого явления). Но чего не сделает начинающий любитель, чтобы принять передачу, например, из Гонолулу!

Индуктированное напряжение зависит от частоты, поэтому для каждой принимаемой станции следует подбирать соответствующую связь. Для этого можно использовать несколько способов. Прежде всего можно сделать одну из катушек подвижной, чтобы она перемещалась относительно другой. Приближая, удаляя или поворачивая эту катушку, можно по желанию изменять связь.

Можно также, оставив катушки неподвижными, регулировать величину тока высокой частоты, протекающего по катушке обратной связи. Для этого анодный ток разделяют на постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая проходит через катушку обратной связи, соединенную последовательно с конденсатором переменной емкости. Конденсатор задержит не только постоянную составляющую анодного тока, но и составляющую низкой частоты, так как емкость его мала. Эти составляющие замыкаются через вторую ветвь, в которую включаются элемент связи со следующей лампой (трансформатор низкой частоты, активное или индуктивное сопротивление) или телефонные трубки.

Для лучшего разделения составляющих в цепь с активной нагрузкой полезно включать последовательно заградительный дроссель, который благодаря относительно большой индуктивности задержит высокочастотную составляющую, но пропустит составляющую низкой частоты. Таким образом, это устройство аналогично схеме разделения составляющих, изображенной на рис. 138.

Конденсатор переменной емкости, соединенный последовательно с катушкой обратной связи, позволяет по усмотрению дозировать протекающий по ней ток высокой частоты и регулировать таким образом обратную связь. Это довольно практичный способ, позволяющий осуществить очень точную регулировку. Существует несколько вариантов, которые, однако, все основаны на одном и том же принципе и различаются лишь деталями схемы.

Рассмотренный вид обратной связи не следует называть «емкостной обратной связью». Он является обратной связью, основанной на взаимной индукции двух катушек; функции конденсатора сводятся лишь к роли крана, регулирующего степень пропускания высокой частоты.

Можно создать также настоящую емкостную обратную связь, для чего между анодом и сеткой включают конденсатор переменной емкости. Однако получаемые результаты обычно не слишком удовлетворительны.

Смешанный индуктивно-емкостный метод обратной связи осуществлен в схеме Хартли (рис. 69), где сетка и анод связаны емкостью настроенного конденсатора и индуктивностью половины катушки контура. Регулировка обратной связи также производится конденсатором переменной емкости С 2 .

Со схемой Хартли можно сопоставить генератор с электронной связью (рис. 147) Этот генератор, часто используемый в гетеродинах, не позволяет регулировать величину связи, так как по обведенной жирной линией части катушки полностью проходит высокочастотная составляющая. Обратную связь, конечно, можно было бы сделать регулируемой, если бы вывод на катушке допускал изменение количества витков, по которым протекает ток обратной связи.

Рис. 147. Генератор с электронной связью. Путь анодного тока показан жирными линиями.

Паразитные связи

Если регулируемая обратная связь часто является весьма ценным средством для получения оптимальных результатов от приемника с малым числом ламп, то самопроизвольная обратная связь, появляющаяся из-за паразитных связей, представляет собой одно из наиболее неприятных явлений в практике радиотехники. Паразитные связи можно подразделить на три вида: индуктивные, емкостные и через общее сопротивление. Последний вид связи послужит нашим друзьям темой для следующей беседы. Индуктивные же и емкостные связи имеются повсюду, где элементы анодной цепи лампы находятся по соседству с элементами сетки этой же или одной из предшествующих ламп.

Два проводника, хотя бы на малом участке находящиеся рядом, образуют конденсатор. Две катушки, если только не принято специальных мер, связаны индуктивно. Даже электроды лампы, несмотря на их малые размеры, образуют емкости между собой или с расположенными рядом элементами схемы.

Если возникшие таким образом паразитные связи имеют положительный знак, т. е. наведенные из анодных цепей в сеточные напряжения совпадают по полярности с напряжением на сетке, то при определенной величине связей возникают колебания и приемник превращается в генератор. Практически же паразитные связи проявляются в виде свиста, шума или по крайней мере в виде резких искажений воспроизводимого звука, лишающих возможности пользоваться приемником.

Экранирование

Для устранения этих неприятностей существует несколько средств. В первую очередь следует назвать продуманное размещение элементов схемы, при котором избегают слишком длинных проводов и опасной близости элементов.

Вторым средством является экранирование катушек, ламп, а иногда и целых узлов схемы (блоков).

Катушки и лампы закрываются металлическими кожухами из листовой меди или алюминия. Эти «клетки Фарадея» перехватывают все электрические поля и тем самым устраняют паразитные связи. Металлические лампы оказываются экранированными благодаря металлической оболочке. Иногда некоторые проводники приходится экранировать гибкой металлической оплеткой. Трансформаторы низкой частоты экранируются кожухами из толстой мягкой стали.

Все экраны, так же как и металлическое шасси, должны соединяться с какой-либо точкой, имеющей постоянный потенциал, например с отрицательным полюсом высокого напряжения.

Тетрод

По этому пути идут вплоть до установления экрана внутри ламп между сеткой и анодом. Чтобы электроны тем не менее могли свободно проходить через этот экран, ему придается форма сетки и он называется экранирующей сеткой. Такое устройство имеют лампы с четырьмя электродами или тетроды. Чтобы экранирующая сетка не тормозила движения электронов, на нее подается высокий положительный потенциал (в высокочастотных лампах равный половине анодного напряжения, а в низкочастотных равный анодному напряжению). Таким образом, она служит для ускорения электронов. Благодаря наличию экранирующей сетки паразитная емкость между анодом и управляющей сеткой практически становится равной нулю, чем устраняется одна из наиболее опасных причин самовозбуждения. К этому преимуществу ламп с экранирующей сеткой нужно еще добавить их высокий коэффициент усиления, который может достигать 1 000.

Действительно, в тетродах анодный ток почти исключительно зависит от напряжения основной сетки, называемой управляющей сеткой, и напряжения экранирующей сетки; анодное же напряжение очень слабо воздействует на анодный ток вследствие наличия экранирующей сетки. В этих условиях коэффициент усиления в соответствии с определением должен быть очень высоким

Крутизна тетродов имеет такой же порядок величины, как и крутизна триодов, и чтобы основное равенство μ = R 1 ·S было справедливо при большом значении μ необходимо, чтобы и R 1 также имело большую величину. Внутреннее сопротивление тетродов достигает часто величины порядка 1 Мом.

Для создания напряжения на экранирующей сетке применяют схему делителя напряжения, включая два последовательно соединенных резистора (R 2 и R 3 на рис. 72) между полюсами источника высокого напряжения. В зависимости от сопротивлений этих резисторов через них протекает больший или меньший ток, создающий на каждом из них падение напряжения, пропорциональное сопротивлениям резисторов (сумма этих двух падений напряжения, разумеется, равна напряжению источника). Таким образом, общая для обоих резисторов точка имеет промежуточное напряжение, которому путем соответствующего подбора сопротивлении резисторов можно придать любое значение. К этой общей точке и подключается экранирующая сетка.

В связи с тем, что сетка захватывает некоторое количество проходящих через нее электронов, существует небольшой ток экранирующей сетки. Чтобы его изменения не нарушали постоянства напряжения на экранирующей сетке, между нею и катодом включается конденсатор, который отводит переменную составляющую тока прямо на катод.

В лампах, у которых ток экранирующей сетки имеет постоянную величину, можно создать требуемое напряжение с помощью гасящего сопротивления (резистор R 2 на рис. 148), соединяющего экранирующую сетку с положительным полюсом высокого напряжения. Но и в этом случае необходим конденсатор, предназначенный для отведения на катод переменной составляющей тока.

Рис. 148. Потенциал экранирующей сетки определяется падением напряжения на сопротивлении R 2 . Переменная составляющая замыкается на катод через конденсатор С 2 .

Вторичная эмиссия

Когда в конце быстрого пролета электроны достигают анода, в результате удара из атомов анода выбиваются электроны, выбрасываемые в пространство. Поток электронов, излучаемых анодом под воздействием электронной бомбардировки, носит название вторичной эмиссии. Скорость вторичных электронов относительно невелика и после короткого полета они обычно возвращаются на анод вследствие притяжения положительным потенциалом. По крайней мере так происходит в триоде.

В тетроде вторичная эмиссия может серьезно нарушить работу лампы. Когда потенциал анода падает ниже потенциала экранирующей сетки, электроны не возвращаются на анод, а притягиваются экранирующей сеткой. При этом возникает ток от анода к экранирующей сетке. Этот ток имеет направление, противоположное нормальному направлению анодного тока, и поэтому вычитается из него. Миллиамперметр, включенный в анодную цепь, покажет ток, равный разности нормального анодного и вторичного токов.

В каких условиях подобное явление может иметь место? Иными словами, каким образом анодное напряжение может оказаться меньшим напряжения на экранирующей сетке? Напомним, что напряжение на экранирующей сетке имеет постоянную величину. Напряжение же на аноде все время изменяется, потому что из напряжения источника анодного тока вычитается падение напряжения на сопротивлении нагрузки, находящемся в анодной цепи. Если переменное напряжение на сетке превысит некоторое значение, то амплитуда переменной составляющей анодного тока может стать такой, что мгновенное значение напряжения на аноде окажется ниже напряжения на экранирующей сетке. Именно в этот момент вторичная эмиссия с анода устремляется на экранирующую сетку.

Пентод

Способ устранения этого недостатка прост: между экранирующей сеткой и анодом помещают сетку, имеющую потенциал катода. Эта защитная сетка не оказывает никакого влияния на первичные электроны, быстро летящие от катода к аноду. Но значительно более медленные вторичные электроны тормозятся ею и «благоразумно» возвращаются на анод.

Полученная таким образом трехсеточная лампа, с пятью электродами, или пентод, свободна от недостатков, вызываемых вторичной эмиссией. Кроме этой особенности, пентод имеет те же свойства и достоинства, что и тетрод.

В настоящее время пентод является наиболее широко используемой лампой в усилителях как высокой, так и низкой частоты. В обоих случаях он позволяет получить большое усиление. Кроме того, емкость сетка — анод пентода крайне незначительна, что является особенно важным преимуществом при работе в каскадах высокой частоты, так как это уменьшает опасность самовозбуждения.