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) = 10 6 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; R 1 = 20 ом; R 2 = 1 ком.

Находим: U 1  = 1 в;  U 2 = 50 в; R общ = 1020 ом ~= R 2

Дано:  R 1 = 2 Мом;  R 2 = 3 Мом; Е = 10 в.

Находим: U 1 = 4 в;  U 2  = 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 Iн , 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 R 2 (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 R 2 и R ш примерно равно наименьшему. Если R 2  = 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 U 1 . К этому выводу, правда, можно было прийти и более коротким путем: если уменьшить R ш , то изменится соотношение сопротивлений делителя R 1 :R АБ , а значит, и соотношение напряжений U1 :UАБ (5, з).

Примеры. Дано: U Г = 240 в; R 1 = 40 ком; R 2 = 40 ком; R ш = 40 ком.

Находим:  R АБ = 20 ком; R общ  = 60 ком;  I общ = 4 ма; U 1 = 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; U 1 = 234 в; U АБ  = 6 в; I 2 = 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 Р 1 , потребляемая трансформатором, а значит, и ток I 1 в первичной обмотке зависят от той мощности Р 2 , которую потребляет нагрузка R н . Если, например, уменьшить R н , то есть увеличить I 2 , то одновременно возрастет общая потребляемая мощность Р 1 и ток I 1 . 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; U 1  = 120 в; R н  = 10 ом.

Находим: n = 0,05;  U 2  = 6 в;  I 1 = 0,005 а;  I 2 = 0,1 а; P 1  ~= Р 2 = 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 f 0 . Все это напоминает уже знакомые нам механические колебания струны. Подобно струне, контур резонирует на колебания, частота fрез которых равна его собственной f 0 (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 U 1 и U 2 . 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 Uс. 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 c2 С 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 Uao, U см , U э0 , номинальные токи для этих режимов I ao , I э0 и основные параметры лампы S, μ и Ri . 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 Ra, 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 Л 2 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 Т C 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 Л 2 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

Усилитель — каким он должен быть?

Для того чтобы сравнивать различные схемы и конструкции усилителей, нужно прежде всего точно договориться о том, какие их качества нужно заносить в графу «хорошо», а какие в графу «плохо». Но еще раньше нужно сказать несколько слов о тех показателях, которые характеризуют работу усилителя (рис. 31).

Рис. 31. Для оценки усилителя нужно знать его основные качественные показатели, в частности, номинальную выходную мощность, соответствующие этой мощности коэффициент нелинейных искажений, чувствительность, полосу воспроизводимых частот, допустимые в этой полосе частотные искажения, уровень фона, динамический диапазон громкости.

На вход усилителя НЧ с микрофона, звукоснимателя, магнитной головки и т. п. подается электрический сигнал — копия звука. Такой же сигнал, но, конечно, более мощный, должен появиться на выходе усилителя. Но, к сожалению, в процессе путешествия по усилителю форма сигнала искажается, несколько изменяется его спектр. Здесь мы встречаем уже знакомые виды искажений: нелинейные, частотные и фазовые. Но если раньше мы говорили об искажении звуковых колебаний, то теперь речь идет об искажении электрического сигнала. С точки зрения конечного результата это одно и то же — электрический сигнал превращается в звук, и все искажения в итоге достаются нашему слуху.

Источники частотных искажений — это реактивные элементы схемы — конденсаторы и катушки. Именно они оказывают разное сопротивление синусоидальным составляющим разных частот (рис. 30, 10, 30, 11) и таким образом нарушают соотношение между этими составляющими (рис. 32).

Рис. 32. Частотные искажения возникают из-за реактивных элементов — конденсаторов и катушек, сопротивление которых меняется с частотой; чем больше удельный вес реактивных сопротивлений, тем сильнее частотные искажения.

Однако если умело подойти к делу, этот недостаток можно обратить в достоинство. Можно так подобрать реактивные элементы схемы (обычно для этого используют RС-цепочки), чтобы скомпенсировать частотные искажения в других элементах усилительного тракта. Так, например, если громкоговоритель на какой-то частоте заваливает частотную характеристику на 10 дб, а усилитель на той же частоте дает подъем на 10 дб, то оба вида искажений компенсируют друг друга.

Ровная, без завалов, частотная характеристика усилителя — это хорошо. Но еще лучше, если есть возможность с помощью регуляторов тембра менять эту характеристику в широких пределах и особенно создавать значительный подъем в области высших и низших частот. Усилитель работает «в коллективе», и мы ценим его не только за высокие «личные» качества, но и за то, что он умеет корректировать недостатки своих «коллег», в частности громкоговорителя (рис. 33).

Рис. 33. Используя реактивные элементы (обычно конденсаторы в RС-цепочках), можно получить некоторый подъем на краях частотной характеристики и в какой-то степени скомпенсировать завал, создаваемый громкоговорителями.

К сожалению, с нелинейными искажениями дело обстоит не так. Возникая в различных элементах тракта, они суммируются, и поэтому нужно добиваться, чтобы на каждом участке К н.и и был как можно меньше. В усилителе главные источники нелинейных искажений — это лампы и трансформаторы; их характеристики имеют явно выраженный нелинейный характер (рис. 15 и рис. 30, 21). Принимая ряд мер, удается снизить К н.и в рядовых усилителях до 5–7 % и в усилителях высшего класса до 1–2 %.

рис. 30, 21

Рост нелинейных искажений ограничивает увеличение мощности усилителя. Как правило, любой усилитель может отдать мощность большую, чем он отдает, но для этого нужно залезть на нелинейные участки ламповых характеристик, и К н.и станет недопустимо большим. Поэтому номинальную мощность Р ном усилителя определяют так: наибольшая мощность, при которой К н.и не превышает установленной для данного усилителя величины. Номинальная мощность — это «потолок», выше которого подниматься не стоит. Ясно, что этот «потолок» соответствует самым громким звукам, которые появляются не так уж часто. В среднем усилитель развивает мощность значительно меньше номинальной. Поэтому оказалось удобным ввести еще одну характеристику — нормальную мощность Р норм , которая составляет 10 % от Р ном . Иногда удобно говорить о номинальном и нормальном выходном напряжении. Между ними существует такая связь: U норм ~ 0,3 U ном

С учетом мощности определяют такую важную характеристику усилителя, как чувствительность. Численно она равна напряжению, которое надо подать на вход, чтобы выходная мощность была равна номинальной. Чем меньше это напряжение, тем лучше чувствительность усилителя. По данным, приведенным в предыдущей главе, можно установить такие нормы чувствительности: усилитель для воспроизведения грамзаписей—100–250 мв, усилитель для работы от динамического микрофона — 0,5–2 мв, магнитофонный усилитель— 5—10 мв (однодорожечная запись) или 0,5–5 мв (двухдорожечная запись).

С номинальной мощностью связана еще одна важная характеристика усилителя — динамический диапазон.

Чтобы без искажений передать звучание голоса и особенно оркестра, нужно не только воспроизвести звуковые колебания определенной формы, но и сохранить естественное соотношение между самыми тихими и самыми громкими звуками. Это соотношение называется динамическим диапазоном громкости или, коротко, просто динамическим диапазоном. Для речи динамический диапазон составляет 40 дб, а для симфонического оркестра намного больше — около 70 дб.

Казалось бы, нет никаких трудностей для того, чтобы воспроизвести большой динамический диапазон. Есть самый громкий звук, соответствующий номинальной мощности усилителя (например, 10 вт), и самый тихий звук должен просто быть на 70 дб тише, то есть должен соответствовать в 10 миллионов раз меньшей мощности (1 мквт). Однако при большом динамическом диапазоне самый слабый звук оказывается слишком слабым — его вообще невозможно услышать. С одной стороны, этому мешает внешний шум — шум, проникающий из соседних помещений, с улицы. С другой стороны, сигналы, соответствующие самым тихим звукам, просто теряются в усилителе — их перекрывают собственные шумы усилителя и, в частности, фон переменного тока.

Фон может появиться из-за плохой фильтрации выпрямленного (анодного) напряжения. Но особенно опасным источником фона являются наводки от сети переменного тока. Провода, по которым переменный ток с частотой 50 гц течет к лампочке, к электроплитке и, наконец, к самому усилителю, — это своего рода передающие антенны. Они излучают электромагнитные волны и наводят во всех металлических предметах, в том числе и в электрических цепях усилителя, слабые переменные напряжения с частотой сети 50 гц. Обычно эти напряжения очень малы — десятки и сотни микровольт. В тех цепях, где проходит достаточно сильный сигнал, эти наводки вообще не заметны, но во входных цепях усилителя, где напряжение сигнала очень мало, наводки уже сравнимы с сигналом. Попав во входную цепь, наводки и весь дальнейший путь по усилителю проходят вместе с сигналом; в итоге громкоговоритель воспроизводит их в виде отвратительного монотонного гула. Это и есть фон переменного тока (рис. 31, д, 34).

Рис. 34. Наиболее опасный источник фона — наводки переменного (сетевого) тока в цепях с низким уровнем сигнала. Для защиты от наводок входные цепи усилителя тщательно экранируют. Нужно снизить фон до такого уровня, чтобы на слух трудно было определить, включен ли усилитель.

Принято считать, что даже самый слабый сигнал (Р мин ) должен на 10–20 дб превышать уровень шумов и фона усилителя НЧ. В этом случае фон и собственные шумы практически уже не слышны. Во всяком случае, они оказываются неуловимо слабыми в сравнении с сигналом. Но, к сожалению, мы не можем бесконечно уменьшать наводки — существует какой-то предел, ниже которого опуститься очень трудно. Даже для высококачественных усилителей допускается уровень фона на 46 дб ниже номинальной мощности, а для усилителей третьего класса допускается еще более сильный фон — на 32 дб ниже уровня Р ном .

Если принять, что самый слабый сигнал должен хотя бы на 10 дб превысить уровень фона, то получится, что усилитель первого класса способен воспроизвести динамический диапазон 36 дб (Р мин меньше Р ном в 4000 раз), а усилитель третьего класса — всего 22 дб (по мощности около 200 раз).

Как видите, даже у хороших усилителей динамический диапазон оказывается значительно меньше, чем динамический диапазон воспроизводимых звуков (оркестр до 70 дб). Поэтому звуковые программы, в первую очередь музыкальные, приходится искусственно сжимать, уменьшать интервал между самым громким и самым тихим звуками, между форте-фортиссимо и пиано-пианиссимо. Для грамзаписей принят динамический диапазон 45 дб, для радиовещания 35 дб, для радиовещания на УКВ с частотной модуляцией 40 дб. И хотя по сравнению с естественным динамическим диапазоном (70 дб) эти цифры представляются не очень-то большими, но для их реализации, для воспроизведения сжатого диапазона приходится весьма тщательно налаживать усилитель, принимать всевозможные меры для снижения фона и других электрических шумов.

К основным характеристикам относят также входное и выходное сопротивления усилителя. Входное сопротивление R вх шунтирует источник сигнала — микрофон, звукосниматель, магнитную головку — и определяет отбираемую от этого источника мощность Р вх . Чем меньше R вх тем больше мощность, потребляемая во входной цепи (рис. 30, 8, г).

Для каскада, работающего без сеточных токов, а именно так и работают все усилители напряжения, входное сопротивление R вх практически равно сопротивлению утечки и составляет сотни тысяч килоом. Почти такую же величину имеет входное сопротивление оконечного каскада (усилитель мощности) тогда, когда выбор его рабочей точки (рис. 30, 21, а) исключает появление сеточных токов. Правда, в некоторых случаях оконечный каскад работает с сеточными токами, и в этом случае его R вх заметно снижается. Здесь действует старый добрый закон Ома: чем больше ток при неизменном напряжении, тем, следовательно, меньше сопротивление цепи.

Выходное сопротивление R вых каскада определяется двумя параллельно включенными сопротивлениями — нагрузкой Ra (для выходного каскада пересчитывается в анодную цепь) и внутренним сопротивлением лампы R i . Чем меньше каждое из этих сопротивлений, тем меньше R вых . Внутреннее сопротивление R i лампы усилителя мощности (оконечный каскад), работающего на громкоговоритель, подключено (через выходной трансформатор) к звуковой катушке. Мы заинтересованы, чтобы R i было как можно меньше — в этом случае лампа будет сильнее шунтировать звуковую катушку, будет лучше осуществлять электрическое демпфирование. А это, в свою очередь, срежет резонансные пики на частотной характеристике.

Фильтры и тембры

Почти все регуляторы тембра работают по одному и тому же принципу. Подбираются такие RС-цепи, которые за счет емкостного сопротивления конденсатора имеют разное сопротивление на различных частотах и благодаря этому создают завал или подъем какого-либо участка частотной характеристики. Затем, изменяя R, уменьшают или увеличивают удельный вес, долю емкостного сопротивления в общем сопротивлении цепи и таким образом регулируют степень завала или подъема.

Простейший регулятор тембра можно найти на схеме рис. 35, 1, а. Он в большей или меньшей степени заваливает частотную характеристику в области высших частот.

рис. 35, 1

Можно построить корректирующие цепи для подъема частотной характеристики как в области высших, так и в области низших частот. На схеме рис. 35, 2, а показана простейшая корректирующая цепь, включенная на пути сигнала между усилительными каскадами (участок АБ). Сопротивление R Т несколько снижает уровень сигнала, так как на этом сопротивлении теряется часть U T выходного напряжения первого каскада (U вых1 ). Шунтирующий конденсатор С Т подобран так, что на низших и средних частотах его сопротивление намного больше, чем R Т и поэтому общее сопротивление участка АБ примерно равно R Т .

рис. 35, 2

На высших частотах R Т уже заметно шунтировано емкостным сопротивлением, и общее сопротивление участка АБ становится меньше. При этом, естественно, на участке АБ теряется меньшая часть напряжения U вых1 и на частотной характеристике в области высших частот появляется некоторый подъем (рис. 33).

На схеме рис. 35, 3, а анодная нагрузка первого каскада составлена из двух сопротивлений: R a и R T , причем одно из них зашунтировано конденсатором С Т . Для начала поясним, почему здесь нужно говорить о шунтировании, каким образом С Т оказывается подключенным параллельно R T . Один конец С Т непосредственно подключен к R T , а другой вывод конденсатора заземлен (соединен с корпусом). Но для переменного тока с корпусом соединен и верхний (по схеме) вывод R T . На этот вывод с выпрямителя подается «плюс» выпрямленного напряжения (+U в ), а «плюс» выпрямителя всегда заземлен через конденсатор фильтра С ф. в (например, рис. 44 и 46). Емкость конденсатора фильтра достаточно велика, и можно считать, что верхний по схеме вывод R T для переменного тока соединен непосредственно с шасси, а значит, и с С Т (рис. 35, 3, б).

рис. 35, 3

Емкость конденсатора С Т подобрана с таким расчетом, чтобы на низших частотах его емкостное сопротивление было достаточно велико по сравнению с R T , а на средних и высших частотах снижало общее сопротивление цепочки. Практически это означает, что на низших частотах общее сопротивление нагрузки, которое складывается из R a и сопротивления цепочки R T С Т , оказывается больше, чем во всем остальном диапазоне. Благодаря увеличенному сопротивлению нагрузки усиление каскада на низших частотах повышается, то есть на частотной характеристике появляется подъем (рис. 35, 3, в).

Точным подбором корректирующих RС-цепочек удается построить схемы регуляторов тембра, которые позволяют раздельно регулировать частотную характеристику в области высших и низших частот. Удается получить весьма большую степень (глубину) регулировки, в частности от —20 дб до +20 дб. Знак «—» соответствует завалу, а «+» — подъему частотной характеристики. Таким образом, общая глубина регулировки достигает ±20 дб (40 дб), то есть позволяет изменять напряжение сигнала в 100 раз. Так же, как и для громкоговорителей, подъем и завал оценивают по отношению к частоте 1000 гц.

На рис. 35 приведены некоторые схемы раздельной регулировки тембров и соответствующие этим схемам частотные характеристики. Буквой «в» обозначено переменное сопротивление регулировки в области высших частот, буквой «н» — в области низших частот. Некоторые из этих схем применены в усилителях, описанных ниже (рис. 51 и рис. 61). Схемы рис. 35, 4 и 35, 5 построены на тех же принципах, что и простейшие корректирующие цепи.

рис. 35, 4, 5

Вот как работает регулятор тембра высших частот в схеме рис. 35, 5, а. Когда движок регулятора R в находится в крайнем нижнем положении, сопротивление R 6 , с которого снимается напряжение U вx3 , зашунтировано конденсатором С 4 , а это приводит к срезанию высших частот. При верхнем положении движка R 4 конденсатор С 4 уже не влияет на частотную характеристику — он подключен к R6 через все сопротивление R 4 . Но в этом случае сопротивление R 5 (участок АБ) оказывается зашунтированным конденсатором С 3 . В результате сопротивление участка АБ для высших частот уменьшается и большая часть переменного анодного напряжения U выx2 действует на участке БВ. Это равносильно подъему высших частот. Аналогично поднимает и заваливает частотную характеристику регулятор низших частот, включенный в сеточную цепь лампы. Главный недостаток схемы состоит в том, что многочисленные делители заметно снижают усиление каскада, и поэтому такие регуляторы можно применять только тогда, когда есть достаточный запас усиления.

Основой схемы рис. 35, 6, а является заграждающий фильтр, составленный из двух Т-образных ветвей: R 1 C 1 C 2 и R 2 R 3 C 3 . Элементы этого фильтра подобраны с таким расчетом, что он как бы вырезает кусок частотной характеристики, создает резкий завал в области средних частот. Благодаря этому низшие и высшие частоты заметно приподняты. На долю регуляторов тембра достается сравнительно простая работа — они должны лишь заваливать частотную характеристику в соответствующем участке. А сделать это всегда проще, чем поднять ее.

рис. 35, 6

В один из регуляторов тембра (рис. 36, 1, а) специально введен двойной триод, который в данном случае используется как одна усилительная лампа с раздельными входами и общей нагрузкой R a . На сетки ламп подается одно и то же входное напряжение U вх , но подается оно через разные фильтры. Фильтр R 1 C 1 R 2 R 3 ослабляет низшие частоты (чем ниже частота, тем больше емкостное сопротивление конденсатора C 1 , тем меньшая часть U вх попадает на сетку).

рис. 36, 1

Фильтр R 4 R 5 R 6 C 2 , наоборот, ослабляет высшие частоты — чем выше частота, тем сильнее цепочка R 5 R 6 шунтируется конденсатором С 2 , тем, следовательно, меньшая часть U вх попадает на сетку. Таким образом, левый (по схеме) триод фактически является усилителем высших частот, а правый — усилителем низших частот. Сопротивление R2 и R 5 — это обычные регуляторы громкости. Правда, обычными их можно назвать лишь по принципу действия — они подают на сетку некоторую часть подводимого напряжения. Но поскольку каждый из этих регуляторов работает лишь на одном из участков диапазона — на высших или на низших частотах, то они фактически являются эффективными регуляторами тембра. Приведенная схема — это первый шаг к двухполосным усилителям НЧ, о которых будет рассказано в пятой главе.

В заключение этого раздела, в основном посвященного регулировке тембра, остановимся на некоторых особенностях регулировки громкости. Не подумайте, что это оговорка или искусственное объединение разных тем — регулировка громкости и тембра самым непосредственным образом связаны между собой. Во всяком случае, должны быть связаны.

Прежде всего заметим, что переменное сопротивление регулятора громкости должно «знать» закон Вебера — Фехнера.

Существуют три типа переменных сопротивлений: А, Б и В (рис. 36, 4, а). Они отличаются характером зависимости коэффициента деления R':R от угла поворота подвижного контакта 2. Чтобы регулировка громкости происходила плавно, чтобы повороту ручки регулятора на один и тот же угол всегда соответствовало одинаковое изменение громкости, нужно использовать в качестве регулятора сопротивление типа В с так называемой показательной кривой. По ходу кривой В видно, что при небольших углах поворота α, соответствующих сравнительно небольшой громкости, сопротивление R' вместе с ним и U вх меняется незначительно. По мере увеличения R', то есть при регулировке в области более сильных звуков, сопротивление R' меняется более резко, и это, естественно, приводит к резкому изменению U вх . Таким образом, при повороте ручки регулятора на определенный угол мы меняем U вх (а значит, в итоге и звуковое давление громкоговорителя!) в одно и то же число раз, и именно это дает ощущение одинакового изменения громкости.

рис. 36, 4

При конструировании регулятора громкости нужно учитывать еще одну особенность слуха — резкое уменьшение чувствительности на низших частотах. Если мы будем постепенно уменьшать громкость с помощью обычного регулятора, то в области самых тихих звуков одновременно, помимо нашей воли, будет происходить регулировка тембра — будут непропорционально ослабляться низшие частоты. Поэтому, уменьшая громкость, нужно одновременно вращать ручку регулятора тембра и поднимать частотную характеристику в области низших частот. Существуют схемы, где такой подъем осуществляется автоматически, — это схемы регуляторов громкости с тонкомпенсацией.

В наиболее распространенной из них (рис. 36, 2, а, в) используется переменное сопротивление R 2 с отводом 4, к которому подключена цепочка R 1 C 1 . Она срезает высшие и средние частоты и таким образом создает некоторый подъем в области низших частот. Однако, когда напряжение U'вх снимается со всего делителя R 2 цепочка R 1 C 1 существенной роли не играет. Значение и влияние ее возрастают по мере того, как движок переменного сопротивления R 2 идет вниз (по схеме), приближаясь к зашунтированному участку 4–3.

рис. 36, 2

Аналогично работает и регулятор с двумя отводами (рис. 36, 3) и более сложной системой фильтрующих цепочек. Если в вашем распоряжении нет переменного сопротивления с отводами, можно сделать компенсированный регулятор громкости по простой схеме (рис. 36, 5) или по схеме (рис. 36, 6), где используются спаренные (то есть имеющие общую ось) переменные сопротивления R 1 и R 3 .

рис. 36, 3

рис. 36, 5, 6

Уделив довольно много внимания элементам и цепям усилителя, с помощью которых можно исправить его частотную характеристику, нужно вспомнить и о тех элементах, которые могут частотную характеристику испортить. Это обычные RС-цепи, занимающие в усилителе самые ответственные «должности»: сопротивление нагрузки R а , переходной конденсатор С с2 , сопротивление R c , цепь автоматического смещения R к С к , цепь питания экранной сетки R э С э и т. п. Чтобы цепи питания не вносили заметных частотных искажений, емкостное сопротивление конденсатора (его называют конденсатором развязки) должно быть на самой низкой частоте, во много раз (обычно считают достаточным в 5—10 раз) меньше, чем соответствующее активное сопротивление.

Чтобы лучше увидеть, как влияют на частотную характеристику другие элементы усилительного каскада, удобно рассмотреть его эквивалентную схему [8].

Анодной нагрузкой усилителя напряжения служит обычное сопротивление, и поэтому этот каскад называют реостатным. На его эквивалентной схеме (рис. 37, а) лампа заменена условным генератором переменного тока с внутренним сопротивлением R i . Такую замену вполне можно допустить, так как для всех последующих цепей лампа действительно является всего лишь источником переменного тока — источником мощной копии усиливаемого сигнала. Эквивалентная схема составлена только для переменного тока, и поэтому один из выводов анодной нагрузки заземлен. Новым элементом является конденсатор С ск — входная емкость последующей лампы, к которой следует прибавить паразитную емкость монтажных цепей.

Основные цепи каскада образуют сложный делитель напряжения, который по-разному ведет себя на разных частотах. На высших частотах сопротивление конденсатора С ск уменьшается, он сильнее шунтирует R э1 , то есть уменьшает сопротивление нагрузки. Если R а1 будет значительно меньше емкостного сопротивления конденсатора С ск , то общее сопротивление участка будет в основном определяться величиной R а1 и потому будет мало зависеть от частоты (рис. 30, 7, г). Отсюда напрашивается простой вывод: чтобы ослабить влияние С ск на высших частотах, нужно уменьшить R а1 , жертвуя усилением каскада.

рис. 30, 7

Конденсатор С с2 вместе с участком вг образуют делитель, на правой (по схеме) части которого действует выходное напряжение U вых . С уменьшением частоты емкостное сопротивление конденсатора С с2 растет, и на нем действует все большая часть напряжения U a~ и все меньшая часть этого напряжения приходится на долю U вых . Иными словами, разделительный (переходный) конденсатор С с2 — один из виновников завала частотной характеристики в области низших частот. Чтобы уменьшить это вредное влияние С с2 , нужно, чтобы его емкостное сопротивление даже на самых низших частотах было значительно меньше, чем сопротивление участка вг. Вот почему в качестве С с2 используют конденсаторы сравнительно большой емкости — от 0,005 мкф (5000 пф) при большом сопротивлении Rc2 и до 0,1 мкф (100000 пф) при небольшом.

К разделительному конденсатору, независимо от его емкости, предъявляются два особых требования.

Во-первых, он должен быть рассчитан на сравнительно большое напряжение — не менее чем на 200–300 в. К этому конденсатору, кроме переменного, приложено еще и постоянное анодное напряжение U а0 ; если он будет пробит (короткое замыкание между обкладками), «плюс» высокого напряжения U а0 попадет на сетку лампы следующего каскада. При этом появится огромный анодный ток, и лампа Л 2 выйдет из строя.

Во-вторых, сопротивление утечки конденсатора должно быть очень большим. Идеальных изоляторов нет, и прокладка между обкладками любого конденсатора в какой-то степени проводит ток. Поэтому нужно помнить, что параллельно конденсатору всегда подключена проводящая цепь — ее называют сопротивлением утечки R y . Обычно сопротивление утечки очень велико — сотни и тысячи мегом, и в большинстве случаев им можно пренебречь. У электролитических конденсаторов R y значительно меньше — сотни и даже десятки килоом, и это несколько ограничивает их применение. Сопротивление утечки R y конденсатора С с должно быть во много раз больше, чем R c2 . Оба эти сопротивления образуют делитель для постоянного анодного напряжения U а0 . И чем меньше R y , тем значительнее та часть U а0 , которая действует на R c2 . Нетрудно сообразить, что это напряжение будет служить для последующей лампы положительным смещением, резко нарушающим режим каскада.

Как вы уже заметили, при выборе элементов усилительного каскада учитывается много различных факторов, причем зачастую противоречивых. Задавшись определенными начальными условиями: коэффициентом усиления (К у ) каскада, полосой воспроизводимых частот и допустимыми частотными искажениями, можно рассчитать все данные деталей — сопротивлений и конденсаторов, определяющих схему усилителя. Однако даже заметное отклонение какой-либо величины от расчетной, как правило, не приводит к неприятным последствиям. Так, например, увеличивать емкость конденсаторов С э и С к (рис. 30, 30) можно во сколько угодно раз; сопротивления R a , R э и R c можно менять на 10–20 %, не опасаясь значительных искажений и изменений коэффициента усиления; емкость конденсатора Сс2 также можно значительно увеличить. Одно из ограничений связано с тем, что конденсаторы большей емкости имеют меньшее сопротивление утечки; сопротивление R кI нежелательно сильно изменять по сравнению с расчетными данными, так как оно в большой степени определяет режим лампы. Для иллюстрации влияния различных элементов схемы на работу усилительного каскада в табл. 15 приводятся данные деталей к схеме простейшего реостатного усилителя (рис. 30, 30).

Для расчета была выбрана полоса частот 100—6000 гц при неравномерности частотной характеристики ±6 дб. Все данные приведены для двух напряжений на аноде +180 в и +300 в.

На рис. 37, б приведена весьма упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада с трансформаторным выходом. Здесь R п — сопротивление проводов, L I — индуктивность первичной обмотки трансформатора, R a сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную цепь (рис. 30, 12).

рис. 30, 12

Катушка L pac — это условный элемент, который отображает рассеяние магнитного поля. Чем большая часть магнитного поля первичной обмотки охватывает витки вторичной обмотки, то есть чем сильнее связаны эти катушки общим магнитным полем, тем меньше L pac .

Рис. 37. Эквивалентные схемы реостатного ( а ) и трансформаторного (б) усилительных каскадов. Это сравнительно простые электрические цепи, на которых удобно анализировать поведение того или иного каскада на разных частотах.

В трансформаторном каскаде так же, как и в реостатном, к лампе подключен сложный делитель напряжения, одним из элементов которого является полезная нагрузка R a . Во всех случаях желательно, чтобы сопротивление R п было как можно меньше по сравнению с R a . Чем меньше R п , тем меньшая часть переменного напряжения Uа~ , а значит, и мощности на нем теряются.

Индуктивность первичной обмотки L I шунтирует нагрузку. На высших частотах индуктивное сопротивление обмотки велико (рис. 30, 11), и оно мало влияет на общее сопротивление участка аб. С уменьшением частоты индуктивное сопротивление катушки падает, и она все сильнее шунтирует нагрузку, уменьшает общее сопротивление участка аб, заваливая частотную характеристику на низших частотах. Чтобы предотвратить этот завал, нужно, чтобы индуктивность L I была достаточно большой, чтобы даже на самых низших частотах ее сопротивление было больше R a . Обычно L I  составляет десятки генри. Для получения такой большой индуктивности обмотки выходного трансформатора размещают на стальном сердечнике, и первичная обмотка содержит несколько тысяч витков.

рис. 30, 11

Индуктивность рассеяния L pаc , наоборот, должна быть как можно меньше. С увеличением частоты на ней теряется все большая часть переменного напряжения Uа~ , и из-за этого появляется завал частотной характеристики в области высших частот. При конструировании выходных трансформаторов принимают меры для уменьшения L pac .

На обеих эквивалентных схемах остался неразобранным лишь один элемент — внутреннее сопротивление лампы R i . А вместе с тем выбор многих других элементов схемы, и в первую очередь сопротивления анодной нагрузки, в большой степени определяется величиной R i . В практике приняты следующие ориентировочные нормы: для триодов R a должно быть в два-три раза больше R i , для пентодов — в три — пять раз меньше. В выходных каскадах желательно применять лампы с небольшим R i , так как это улучшает демпфирование громкоговорителя. Именно поэтому в выходных каскадах иногда применяют мощные триоды, внутреннее сопротивление которых значительно меньше, чем у тетродов и пентодов. Правда, и у этих ламп можно заметно понизить величину R i , применяя интересную схемную «хитрость» — отрицательную обратную связь.

Фокусы с фазами

Переменное напряжение на сетке управляет анодным током, и он создает на анодной нагрузке переменную составляющую напряжения. Это нормальная прямая связь сеточной и анодной цепи, связь через электронный поток в направлении сетка — анод. А теперь попробуем создать связь в обратном направлении. Возьмем часть мощности усиленного сигнала (мощной копии) и направим ее из анодной цепи в сеточную (рис. 38, рис. 39, 1). Давайте попытаемся выяснить, к чему это приведет.

Рис. 38. Возвращая некоторую часть выходной мощности усилителя во входную цепь, мы вводим обратную связь. Если сигнал обратной связи содействует входному сигналу, обратная связь положительна, а если противодействует — отрицательна.

рис. 39, 1

На рис. 39, 1, а показан один из способов введения обратной связи. Со специальной обмотки III выходного трансформатора Тр в напряжение обратной связи U o.с подается в цепь управляющей сетки. Туда же, как обычно, подается напряжение U вх — сигнал, поступающий на вход усилителя с предыдущего каскада. Теперь напряжение U с , действующее на сетке Л 1 складывается из двух напряжений — U вх  и U o.с . Результат этого сложения прежде всего зависит от фазовых соотношений U вх  и U o.с .

Если оба напряжения совпадают по фазе, то они действуют согласованно и U c больше U o.с (рис. 39, 1, б, в). Такую обратную связь называют положительной. Она фактически повышает усиление каскада, так как «бесплатно» увеличивает входное, а значит, и выходное напряжение.

Если напряжения U вх  и U o.с действуют в противофазе, то результирующее U c оказывается меньше U вх (рис. 39, 1, г, д), а это фактически означает, что усиление каскада уменьшается. Такая обратная связь называется отрицательной.

В обоих случаях для оценки влияния обратной связи вводят коэффициент β (рис. 40), который показывает, какая часть выходного напряжения подается обратно в цепь управляющей сетки (β = U o.с /U вых ). Чем больше β, тем сильнее, глубже обратная связь, тем в большей степени она повышает (положительная) или понижает (отрицательная) усиление каскада.

Часто вместо коэффициента β указывают другую величину. Она называется «глубина обратной связи» и численно равна 1 + U o.с /U c . Чем больше U o.с по сравнению с U вх , тем меньше оказывается их разность U c (отрицательная обратная связь), тем, следовательно, глубже обратная связь. Глубину обратной связи обычно выражают в децибелах. Если сказано, что глубина обратной связи составляет 20 дб, это значит, что U o.с в девять раз больше U c , то есть U вх , поступающее с предыдущего каскада, почти на 90 % скомпенсировано отрицательной обратной связью.

В нашей схеме глубина обратной связи зависит от числа витков обмотки III: чем больше витков в этой обмотке, тем сильнее обратная связь.

В схеме рис. 39, 1, а довольно просто изменить характер обратной связи — положительную превратить в отрицательную, и наоборот. Для этого достаточно поменять местами выводы А и Б обмотки III. Если при заземлении вывода А получается положительная обратная связь, то при заземлении вывода Б она будет отрицательной. Объясняется это очень просто. Напряжение на обмотке III непрерывно меняется. Во время одного полупериода на выводе А действует «плюс», а на выводе Б — «минус». Во время следующего полупериода полярность меняется: на выводе А появляется «минус», на выводе Б — «плюс». В зависимости от того, какой из выводов заземлен, мы подаем на сетку «плюс» либо во время четных полупериодов, либо во время нечетных (это, разумеется, условное разделение). Таким образом, U o.с оказывается в фазе с напряжением U вх либо действует против него. Иными словами, меняя местами выводы А и Б, мы сдвигаем фазу напряжения U o.с на 180° (рис. 39, 1, б, в, г, д).

На первый взгляд может показаться, что в усилителях имеет смысл применять только положительную обратную связь. По крайней мере она дает выигрыш в усилении, в то время как при введении отрицательной обратной связи мы только проигрываем (рис. 39, 1, в). Однако более глубокий анализ показывает, что, проигрывая в усилении (как вы сейчас увидите, этот проигрыш легко вернуть), мы можем получить сразу несколько важных и крупных выигрышей.

Прежде всего с помощью отрицательной обратной связи можно сделать то, чего никаким иным путем добиться невозможно, — снизить нелинейные искажения, возникающие в лампе и выходном трансформаторе (рис. 40).

Рис. 40. Отрицательная обратная связь позволяет ослабить фон, уменьшить выходное сопротивление, повысить стабильность, улучшить частотную характеристику и, что особенно важно, понизить нелинейные искажения. Главные недостатки отрицательной обратной связи — пониженное усиление и необходимость большого входного сигнала — обычно отступают перед ее многочисленными достоинствами.

В результате нелинейных искажений в спектре выходного сигнала появляются составляющие, в частности гармоники, которых во входном сигнале не было. По цепи обратной связи эти посторонние составляющие попадают на сетку лампы и оттуда наравне с входным сигналом управляют анодным током. Теперь в анодном токе будет две группы посторонних вредных гармоник: первая из них возникает в самой лампе в результате нелинейных искажений, вторую мы создаем искусственно, управляя анодным током с помощью напряжения U o.с . Из самого определения отрицательной связи следует, что обе группы составляющих противофазны, то есть посторонние гармоники анодного тока, пробравшись по цепи обратной связи на командный пункт лампы — на управляющую сетку, используют ее усилительные свойства и сами же себя ослабляют. Правда, одновременно уменьшается и напряжение основного сигнала — обратная связь не разбирает, где «свои», где «чужие», и одновременно ослабляет все составляющие выходного напряжения. Однако ослабление основного сигнала — дело поправимое: нужно просто повысить напряжение, поступающее от предыдущего каскада. Если нет необходимого запаса усиления, стоит даже добавить еще один каскад — усилитель напряжения. Выигрыш, который дает применение отрицательной обратной связи, обычно стоит такой жертвы. Она позволяет уменьшить коэффициент нелинейных искажений в несколько раз. Но не только это дает нам отрицательная обратная связь.

До сих пор мы считали, что обратная связь имеет одинаковую глубину на всех частотах. Однако совсем необязательно всегда выполнять это условие. Включив в цепь отрицательной обратной связи уже знакомые нам фильтры, можно завалить или поднять частотную характеристику на том или ином участке. Это хорошо видно на примере включения в цепь обратной связи простейших регуляторов тембра (рис. 39, 5, а). Цепочки R н C н и R в C в — это уже знакомые нам регуляторы тембра; первый из них в большей или меньшей степени ослабляет низшие частоты, второй — высшие (рис. 35, 4). Точно так же действуют эти цепи и в схеме рис. 39, 5, а. Однако результат здесь получается совсем иным.

Что значит ослабить отрицательную обратную связь на той или иной частоте? Это значит ослабить на этой частоте мешающее действие напряжения U o.с и таким образом повысить усиление. Иными словами, усиление обратной связи приводит к завалу (рис. 39, 5, б) частотной характеристики, а ослабление — к подъему (рис. 39, 5, в).

рис. 39, 5

В цепь обратной связи включают не только регуляторы тембра, но и корректирующие RС-цепочки из постоянных сопротивлений и конденсаторов. Мы начали разговор о достоинствах отрицательной обратной связи, отметив, что с ее помощью можно понизить внутреннее сопротивление лампы и тем самым улучшить демпфирование громкоговорителя. Прежде чем говорить о том, как это делается, придется отметить, что существуют две разновидности отрицательной обратной связи: связь по напряжению и связь по току, или, иначе, параллельная и последовательная обратная связь.

Рассмотрим две наиболее распространенные схемы подачи обратной связи. В первой из них (рис. 39, 2, а) напряжение U o.с возникает на катодном сопротивлении R к .

рис. 39, 2

Это обычное сопротивление автоматического смещения, не заблокированное конденсатором (рис. 30, 23). Проходя по R к , анодный ток создает на нем напряжение U к , которое действует между катодом и корпусом, а значит, между катодом и сеткой. По мере увеличения U вх растет I а , а вместе с ним растет и U к . Что же касается фазы этого напряжения, то здесь все зависит от «точки зрения». Если мы измеряем напряжение U к относительно земли (шасси), то U вх и U к (U o.с ) действуют синфазно. Если же измерять U к относительно катода, то оно противофазно U вх . Все это настолько очевидно, что, по-видимому, не требует объяснений. Напряжение всегда действует между двумя точками, и если в точке а мы отмечаем «плюс» относительно б, то это одновременно означает, что в точке б будет «минус» относительно а. Подобно этому, человек, живущий на первом этаже, считает, что весь дом находится над ним, а жильцу с последнего этажа кажется, что дом находится под ним.

рис. 30, 23

Чтобы легче было уловить фазовые соотношения в сложной схеме, радиолюбители обычно рассматривают все цепи в момент положительного напряжения на сетке. Рассуждения ведутся примерно так: «Если на сетке «плюс», то анодный ток растет, на катоде растет «плюс», а на корпусе, то есть фактически на сетке — «минус»…

Рассуждая так, мы придем к выводу, что напряжение U o.с , действующее на катодном сопротивлении R к , создаст отрицательную обратную связь. Определяя фазу, мы обязаны смотреть на это напряжение со стороны катода. Только при этой «точке зрения» мы определим фазу напряжения на сетке, которая через R c соединена с корпусом.

Схема рис. 39, 2, а — это одна из схем обратной связи по току — здесь напряжение U к (U o.с ) непосредственно зависит от переменной составляющей анодного тока I a~ . Обратная связь по току увеличивает внутреннее сопротивление лампы (разумеется, только в данной схеме и в данном режиме), и поэтому ее стараются не применять в выходном каскаде, работающем на динамический громкоговоритель.

В схеме (рис. 39, 3, а) на сетку в качестве U o.с подается часть переменного анодного напряжения U a~ . Между анодом и катодом включен делитель R ac R c , на части которого (R c ) и действует напряжение U o.с . В данном случае обратная связь получается отрицательной потому, что напряжение на сетке и на аноде сдвинуты по фазе на 180°, то есть противофазны. Это одна из многих схем обратной связи по напряжению: U o.с непосредственно зависит от U a~ , так как является его частью. Обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление каскада и поэтому применяется очень широко, в том числе и в выходных каскадах, работающих на динамический громкоговоритель.

рис. 39, 3

Еще одно достоинство отрицательной обратной связи: она делает усилитель менее капризным, его режимы в меньшей степени зависят от изменения питающих напряжений, от изменения нагрузки на выходной каскад. Последнее обстоятельство особенно важно для усилителей радиоузлов, так как в процессе работы радиоузла нагрузка его оконечных каскадов может сильно изменяться. Представьте себе, что во время какой-нибудь неинтересной передачи половина слушателей — абонентов радиоузла — выключит свои громкоговорители.

В этом случае резко изменится нагрузка, а значит, и режим работы выходного каскада. С несколько похожим явлением мы встречаемся и в усилителе, работающем на динамический громкоговоритель: сопротивление звуковой катушки громкоговорителя неодинаково на различных частотах, и поэтому режим выходного каскада также меняется с частотой.

Каким же образом отрицательная обратная связь может уменьшить эти недостатки? Обратная связь автоматически регулирует усиление каскада: если уменьшится нагрузка и возрастет выходное напряжение U вых , то сразу же появится некоторое дополнительное напряжение обратной связи, которое будет стремиться уменьшить U вых . Таким образом, отрицательная обратная связь стремится сохранить неизменным выходное сопротивление усилителя и режим его работы.

Некоторые распространенные цепи подачи отрицательной обратной связи упрощенно показаны на рис. 39, 6. Цепь д нам уже знакома по рис. 39, 1, а. Разница лишь в том, что напряжение U o.с снимается непосредственно со вторичной обмотки выходного трансформатора, к которой подключен громкоговоритель. Это оказывается возможным потому, что один из выводов звуковой катушки всегда заземляют, причем для громкоговорителя безразлично, какой из выводов обмотки II будет заземлен. Это позволяет, меняя местами выводы А и Б обмотки II, подобрать нужную фазу U o.с . Глубину обратной связи подбирают с помощью сопротивления R o.с : чем меньше это сопротивление, тем большая часть выходного напряжения приходится на долю U o.с , тем глубже обратная связь.

рис. 39, 6

Цепь г также направляет напряжение U o.с на сетку Л 2 , но не непосредственно, а через сопротивление R к2 . Теперь к напряжению U к , которое возникает на этом сопротивлении за счет I а переменной составляющей анодного тока, прибавится напряжение U o.с , поступающее с выходного трансформатора. Цепи ей ж подводят U o.с к усилителю напряжения Л 1 ), и, таким образом, обратная связь охватывает уже два каскада. В этом случае напряжение U o.с действует более эффективно — оно дополнительно усиливается лампой Л 1 . Необходимая фаза напряжения U o.с и здесь устанавливается заземлением того или другого вывода (А или Б) обмотки II.

При этом все зависит от того, куда и по какому пути направлено напряжение U o.с . Так, если для подачи отрицательной обратной связи по линии д нужно заземлить вывод Б, то такое же включение обмотки II сохранится и при использовании линии е. Для линии обратной связи г или ж фаза должна быть дополнительно сдвинута на 180°, то есть заземлить нужно вывод А. Аналогичные линии обратной связи вы встретите в большинстве практических схем и усилителей НЧ (рис. 44, 46, 51, 61 и др).

В некоторых схемах (например, рис. 62) вы увидите не совсем обычную цепь отрицательной обратной связи в каскаде, получившем название ультралинейного усилителя (рис. 39, 4, а). Здесь часть напряжения U a~ с первичной обмотки выходного трансформатора Тр в подается на экранную сетку и отсюда управляет анодным током. Переменное напряжение U э~ и есть напряжение обратной связи. Так же как и U а~ напряжение U э~ противофазно сеточному, то есть обратная связь через экранную сетку получается отрицательной. Ультралинейная схема выходного каскада отличается небольшими нелинейными искажениями и низким выходным сопротивлением. Свойства каскада в большой степени зависят от соотношения витков в обмотках Iа и Iб.

рис. 39, 4

У многих из вас мог возникнуть вопрос: зачем на схеме (рис. 39, 6) нужно регулировочное сопротивление R' o.с , для чего с его помощью мы ослабляем действие обратной связи, которая дает так много преимуществ? На этот очень простой вопрос придется дать весьма подробный ответ.

Выигрыш, который приносит нам отрицательная обратная связь, не достается даром. За него приходится платить дополнительным усилением, а это не всегда возможно и не всегда выгодно. Стоит ли, например, вводить очень глубокую обратную связь в усилитель, который по заданным условиям должен быть простым и дешевым и от которого в то же время не требуется очень высоких качественных показателей? Здесь, по-видимому, глубину обратной связи целесообразно увеличивать до тех пор, пока это не потребует дополнительных затрат, в частности дополнительного каскада усиления.

Но даже в тех случаях, когда мы не ограничены средствами и когда главная наша задача — улучшить качественные показатели усилителя, мы не можем до бесконечности усиливать отрицательную обратную связь. Одно из главных ограничений связано с тем, что на некоторых частотах отрицательная обратная связь может превратиться в положительную, которая, как известно, все делает наоборот — не улучшает, а ухудшает качественные показатели усилителя. Более того, при определенных условиях положительная обратная связь может превратить усилитель в генератор (самовозбуждение усилителя), и он сам по себе, не получая никакого входного сигнала, будет генерировать переменное напряжение — попросту говоря, будет выть и свистеть. Превращение отрицательной обратной связи в положительную может произойти тогда, когда какие-то элементы создадут дополнительный сдвиг фаз на 180°. Такими элементами могут оказаться RС-цепочки, которые в усилителе встречаются буквально на каждом шагу.

Попробуем детально изучить поведение RС-цепочки, по которой проходит переменный ток (рис. 41, рис. 42).

Рис. 41. Между напряжением и током в реактивных элементах — конденсаторах ( С ) и катушках ( L ) — существует сдвиг фаз, который принято отображать с помощью векторной диаграммы.

Прежде всего отметим, что в любой цепи переменное напряжение U R на активном сопротивлении R совпадает по фазе с током I R (рис. 42, 1, б).

рис. 42, 1

Это может показаться никому не нужным заявлением, чем-нибудь вроде «Волга впадает в Каспийское море»… Действительно, для любого момента времени, для любых мгновенных значений должен выполняться закон Ома, а значит, ток I и напряжение U одновременно растут, уменьшаются, меняют направление. Но так бывает не всегда. Ток I с в цепи конденсатора С (рис. 42, 2, а) связан с процессом заряда и разряда, то есть связан с изменением напряжения U c . Чем резче нарастает (рис. 42, 2, б) или падает (рис. 42, 2, в) напряжение, тем больше ток; а в тот момент, когда напряжение на конденсаторе не меняется (рис. 42, 2, г), ток равен нулю. Исходя из этих соображений, можем построить график тока Iс (рис. 42, 2, д). Он будет наибольшим в момент наиболее быстрого изменения U c (моменты 0, 2, 4 и т. д.) и будет равен нулю в тот момент, когда U c достигло амплитуды и на какое-то неуловимое мгновение остается неизменным (моменты 1, 3, 5 и т. д.). Как видите, положительная амплитуда I с (момент 0) наступает на четверть периода раньше, чем положительная амплитуда U c (момент 1). Иными словами, ток через конденсатор опережает напряжение на конденсаторе на четверть периода, иначе — на 90°.

рис. 42, 2

Существует очень наглядный способ изображения сдвига фаз — векторная диаграмма (рис. 41). Вспомним, что мы договорились весь период делить на 360 условных единиц времени и именно такую единицу назвали градусом. Векторная диаграмма — это рисунок, где ток и напряжение показаны в виде определенным образом расположенных линий — векторов. Линии образуют угол, который соответствует сдвигу фаз между током и напряжением. Это очень удобно, так как каждому градусу сдвига фаз (единица измерения времени) соответствует градус (угловая единица) угла между векторами.

При сдвиге фаз на четверть периода векторы I и U располагают под углом 90°. Принято считать, что векторы вращаются вокруг точки 0 против часовой стрелки. В нашем примере (рис. 42, 2, г) мы сначала увидим вектор I с , а затем через 90° вектор U c . Это как раз и соответствует случаю, когда I с опережает U c  (или, иначе, U c отстает от I с ) на четверть периода. Длину векторов откладывают в определенном масштабе: например, в масштабе 1 мм = 10 в или 1 мм = 2 а. Строгое соблюдение масштабов необходимо в тех случаях, когда на векторной диаграмме отображено несколько различных напряжений или токов (рис. 42, 3, 4). Один из таких случаев — последовательное включение R и С.

Если к цепочке, составленной из конденсатора и сопротивления (рис. 42, 3, а), подвести переменное напряжение URC,то оно распределится между участками — между R и С — пропорционально их сопротивлению для данной частоты: R и х с . В цепи пойдет ток, величина которого по закону Ома определится напряжением U RC и общим сопротивлением z всей цепи. При этом напряжение U R будет совпадать по фазе с током (рис. 42, 1, а, б, в), а напряжение U с будет отставать от тока на 90° (рис. 42, 2, а, д, е). Что же касается общего напряжения U RC на всей цепочке, то оно будет представлять собой сумму U R и U c . Но не алгебраическую сумму U RC = U R  + U c , а геометрическую U RC = √(U 2 R  + U 2 c ). Если сложить эти напряжения, то окажется, что U RC и а значит, U RC и U R ) сдвинуты по фазе на некоторый угол, обычно обозначаемый буквой φ. Сдвиг фаз определяется соотношением х с и R: чем больше хс по сравнению с R, тем больше угол φ, тем ближе он к 90°.

Напряжения на участках цепи очень удобно складывать с помощью векторной диаграммы. Сумма представляет собой диагональ прямоугольника, образованного векторами U R и U c , а угол сдвига фаз φ равен углу между векторами U R (I RC ) и U RC (рис. 42, 3, б, в; 4, а, в, д).

рис. 42, 3

рис. 42, 4

Подобным же образом можно найти общее сопротивление цепи z, если сложить построенные в определенном масштабе векторы сопротивления R и емкостного сопротивления х с для данной частоты (рис. 42, 4, б, г, е).

Мы уже говорили, что напряжения на участках цепи пропорциональны сопротивлениям этих участков R и х с . Емкостное сопротивление конденсатора х с , как известно, с уменьшением частоты возрастает, и вместе с ним возрастает U c (рис. 30, 10).

рис. 30, 10

При этом меняется соотношение между U R и U c увеличивается сдвиг фаз между общим током и напряжением (рис. 42, 4).

Если на пути напряжения обратной связи имеется несколько таких цепей, то вместе они могут создать на низших частотах весьма большой сдвиг фаз (вплоть до 180°) и таким образом превратить отрицательную связь в положительную. Подобные сдвиги фаз могут создаваться и другими последовательными и параллельными цепями, содержащими емкость С или индуктивность L (рис. 42, 5). Последняя, кстати, создает сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения (рис. 42, 5, в, г).

рис. 42, 5

Дополнительные изменяющиеся с частотой сдвиги фаз, возникающие в RC-, RL- и LC-цепях, ограничивают допустимую глубину отрицательной обратной связи (рис. 43).

Рис. 43. С изменением частоты меняются фазовые сдвиги в сложных цепях (RС-цепочки, трансформатор и др.), и из-за этого отрицательная связь может превратиться в положительную. Сильная положительная обратная связь может привести к самовозбуждению.

Как правило, в усилителях НЧ глубина обратной связи составляет 5—15 дб на каскад. Такая величина позволяет в несколько раз снизить нелинейные искажения, значительно уменьшить выходное сопротивление оконечного каскада, осуществить заметную коррекцию частотной характеристики. Конкретные схемы отрицательной обратной связи вы найдете в усилителях, описанных в этой и двух последующих главах.

Музыка в чемодане

Есть люди, которые предъявляют к звуковоспроизводящей аппаратуре обязательное требование: она должна быть легкой и удобной в переноске. Подобный подход к делу зачастую можно считать вполне правильным. Для многих (особенно для тех, кого годы еще не превратили в неисправимых домоседов) главное достоинство радиолы или магнитофона действительно состоит в том, что их можно взять под мышку и принести на школьный вечер или захватить в гости к товарищу.

К сожалению, в небольших переносных аппаратах трудно добиться высокой верности воспроизведения звука. Но трудно — это еще не значит невозможно. Разумно используя все имеющиеся в нашем арсенале средства, можно и нужно стремиться к тому, чтобы качество звучания переносной аппаратуры было достаточно высоким, чтобы музыка в чемодане была настоящей музыкой.

Сейчас мы познакомимся с несколькими конструкциями и схемами простых переносных радиограммофонов. Основные узлы каждого из них — электропроигрыватель (мотор, диск, звукосниматель), усилитель низкой частоты с громкоговорителями. При желании к этому комплекту можно легко добавить простейший приемник (рис. 68, 9) и таким образом превратить радиограммофон в переносную радиолу.

В радиограммофоне можно использовать любой современный мотор со звукоснимателем. Во всех наших конструкциях используется трехскоростное проигрывающее устройство ЭПУ-5 со звукоснимателем и двигателем ЭДГ-1 (рис. 20, 5).

рис. 20, 5

Этот двигатель рассчитан только на напряжение 220 в, а к сети 127 в он подключается через повышающий автотрансформатор. Для этой цели «по совместительству» используется силовой трансформатор (Тр 2 , рис. 44); в блоке питания усилителя двигатель всегда подключен к отводу сетевой обмотки «220 в». В некоторых проигрывателях установлен двигатель ЭДГ-2. Он рассчитан на напряжение 110 в, и в сеть с напряжением 220 в его нужно включать через понижающий трансформатор. Для этого опять-таки используется сетевая обмотка силового трансформатора (рис. 46).

В цепи двигателя имеются три выключателя (рис. 20, 5, е). Первый из них, Вк 1 — это общий выключатель радиограммофона, через который одновременно подается питание на силовой трансформатор и на двигатель. Второй выключатель, Вк 2 , замыкает цепь тогда, когда звукосниматель снят со своей подставки. Выключатель Вк 3 — это автомат. Он размыкает цепь, когда кончится пластинка, то есть когда звукосниматель сойдет с последней звуковой дорожки.

Последовательное соединение выключателей (или других подобных элементов) в автоматике называют схемой «и» — цепь оказывается замкнутой, если замкнуты контакты и первого, и второго, и третьего выключателей. Вот почему двигатель радиограммофона вращается только в том случае, если одновременно замкнуты контакты всех трех наших выключателей: Вк 1 , Вк 2 , Вк 3 . Во многих проигрывателях роль Вк 2 и Вк 3 выполняет один выключатель. Аналогично Вк2, он замыкает цепь лишь после того, как звукосниматель отведен в начальное положение. Этот же выключатель, аналогично Вк 3 , размыкает цепь, когда звукосниматель доходит до конца пластинки.

Мы рассмотрим четыре конструкции радиограммофонов и четыре схемы усилителей НЧ для них. При желании эти схемы и конструкции можно комбинировать самым различным образом в зависимости от имеющихся деталей, возможностей выполнять столярные и слесарные работы и, конечно, в зависимости от собственного вкуса.

Главное достоинство первой конструкции радиограммофона (рис. 47, 2, а) — компактность. Но она покупается довольно дорогой ценой: частотная характеристика зажатого со всех сторон громкоговорителя, мягко говоря, весьма далека от идеальной. Громкоговоритель можно крепить к верхней панели, либо к боковым стенкам (рис. 47, 2, б).

Для второй конструкции самыми удобными оказываются громкоговорители с эллиптическим диффузором, в частности 1ГД-9. На боковых стенках можно даже установить два-три эллиптических громкоговорителя. Это заметно повышает громкость, немного улучшает качества звучания.

Несколько лучше обстоит дело в третьей конструкции (рис. 47, 2, в), которая напоминает промышленный радиограммофон РГ-3 («Юбилейный»). Здесь в качестве акустического экрана используется съемная крышка ящика. Предполагается, что во время работы эта крышка будет висеть на стене, лучше всего в углу комнаты. Вполне возможно объединить обе конструкции (рис. 47, 2, а, б и рис. 47, 2, в), используя два-три громкоговорителя. Нужно заметить, что в радиограммофоне РГ-3 приняты эффективные меры для улучшения частотной характеристики. Громкоговоритель установлен в закрытой камере с двумя отверстиями: со стороны диффузора и с противоположной стороны.

Несколько увеличив размеры радиограммофона, можно значительно улучшить качество звучания. Именно так и сделано в четвертой конструкции (рис. 47, 2, г). Ее основа — два простеньких акустических агрегата, которые при переноске складываются и образуют упаковочный ящик (чемодан). Внутри него размещается совершенно самостоятельный блок — усилитель с проигрывателем. Такая конструкция позволяет применить два и даже четыре громкоговорителя. В дальнейшем от нее легко перейти к стереофоническому звучанию.

Несколько слов о конструкции самого усилителя. Все его детали, включая детали блока питания, можно разместить на общем шасси (рис. 47, 1, а). В этом случае высота шасси определится силовым трансформатором, а длина — общей компоновкой. Проще всего изготовить угловое шасси; на нем удобно крепить переменные сопротивления. Четырьмя болтами шасси прикрепляется к верхней панели радиограммофона, которую можно изготовить из толстой (5–6 мм) фанеры.

Чтобы облегчить размещение электронной части радиограммофона в ящике, целесообразно отделить блок питания от усилителя и собрать их на отдельных шасси, соединенных тремя или четырьмя проводами (рис. 47, 1, а). Подобное конструктивное решение имеет еще одно достоинство: от входных цепей усилителя отдаляется такой сильный источник фона, как силовой трансформатор. Из этих же соображений шасси усилителя нужно располагать так, чтобы входные цепи находились дальше от двигателя и ближе к звукоснимателю.

Иногда удобно отделить от самого усилителя весь блок регулировок: переменные сопротивления регулировки громкости и тембра. Не забудьте, что эти детали, особенно регулятор громкости, страшно «боятся» наводок, так как включены в цепи с низким уровнем сигнала. Поэтому переменные сопротивления должны соединяться с усилителем с помощью экранированного провода. Необходимо также тщательно экранировать провод, идущий от звукоснимателя на вход усилителя (рис. 34).

Если вы не достанете провод в экранированном чулке, то его можно сделать самому (рис. 47, 4, а, б). Для этого поверх изоляции обычного монтажного провода достаточно намотать слой любого тонкого провода, например в эмалевой изоляции (ПЭ). Этот слой и будет играть роль экрана. Его необходимо заземлить с обоих концов, а если экранированная цепь имеет большую длину, то и в середине. Для размещения и соединения деталей усилителя очень удобно пользоваться монтажными колодками и пластинами (платами). Их также нетрудно изготовить своими силами из трехмиллиметровой фанеры и обычной белой жести.

Рис. 47, 3 иллюстрирует порядок изготовления простейшей монтажной платы. В хорошо обработанной фанерной пластинке прокалывают шилом или ножницами отверстия диаметром 1,5–2,5 мм (рис. 47, 3, а). Затем нарезают из жести лепестки и в них делают надрез (рис. 47, 3, б) или пробивают гвоздем небольшие дырочки, куда могли бы пройти монтажные провода. Кверху лепестки постепенно расширяются, а ширина их средней части должна быть примерно такой же, как и отверстия в фанерной пластинке. Лепестки тонким концом вставляют в эти отверстия и с силой втягивают плоскогубцами.

Нужно, чтобы жестяный лепесток врезался в фанеру и закрепился в ней (рис. 47, 3, в). Затем широкую часть лепестка нужно развернуть (рис. 47, 3, г), а узкую подрезать. Чтобы лучше закрепить лепесток, можно сделать возле него еще одно отверстие и туда втянуть тонкий конец лепестка (рис. 47, 3, д).

Целесообразно изготовить отдельную монтажную плату для блока питания (рис. 47, 5, а). На ней удобно будет произвести распайку выводов силового трансформатора Тр с и разместить детали выпрямителя, например полупроводниковые диоды. На этой плате можно установить также переключатель напряжения, который проще всего сделать в виде трех либо четырех держателей для установки предохранителя (рис. 47, 5, а, в). Не забудьте, что нужно обеспечить свободный доступ к этому переключателю — ведь не очень удобно для смены предохранителя или переключения сетевого напряжения вынимать весь радиограммофон из ящика. По-видимому, колодку с предохранителями удобнее всего закрепить под самой верхней панелью и сверху закрывать небольшой пластмассовой или фанерной крышечкой (рис. 47, 5, б).

Предлагаемые конструкции можно рассматривать лишь как общие рекомендации. Перед тем как приступить к постройке радиограммофона, нужно, исходя из выбранного варианта конструкции и имеющихся в вашем распоряжении деталей, составить чертеж, где были бы учтены размеры основных узлов радиограммофона. Перед этим полезно попробовать (разумеется, на бумаге) несколько различных вариантов компоновки деталей и отобрать лучший из них.

Теперь о схемах (рис. 44, 46, 51, 61). С первой из них мы уже знакомы (рис. 30, 30), и поэтому о ее построении, о назначении отдельных деталей не имеет смысла говорить. Для питания усилителя используется кенотронный выпрямитель с силовым трансформатором от приемника «Рекорд-61».

Рис. 46. Одноламповый усилитель.

Рис. 47, 1

Рис. 47, 2

Рис. 47, 3

Рис. 47, 4

Рис. 47, 5

Рис. 47. Конструкция радиограммофона.

Сейчас, пожалуй, стоит отвлечься от наших первых усилительных схем и поговорить более подробно о выпрямителях. Это нужно, чтобы раз и навсегда покончить с проблемой питания, чтобы она в дальнейшем не отвлекала нас, когда мы будем знакомиться с новыми усилителями.

Режим работы усилителя определяется анодным напряжением (табл. 12 и 13), а оно, в свою очередь, зависит от выбранного силового трансформатора. На первых двух схемах указаны режимы ламп для случая, когда в качестве Тр2 используется силовой трансформатор от приемника «Рекорд-61». Этот трансформатор дает выпрямленное напряжение около 230 в, что позволяет получить выходную мощность до 3–4 вт.

* Для двухтактных каскадов (отмечены звездочкой) значения Iа0 ,  Iэ0 и Rвых указаны для всего каскада, то есть для двух ламп, а значения всех напряжений и Rа. опт — для одной лампы.

 Нужно сказать, что такая мощность не всегда нужна. Так, например, если для радиограммофона выбрана первая конструкция (рис. 47, 2, а) и используется один громкоговоритель 1ГД-9, то вполне можно ограничиться выходной мощностью до 1,5 вт. Для этого удобнее всего снизить анодное напряжение, применив трехзвенный фильтр (рис. 48, 2).

Обратите внимание, что напряжение на анод выходной лампы (рис. 46) подается с конденсатора C 7 (аналогично схеме рис. 30, 18). Это сделано для того, чтобы анодный ток лампы не проходил через R 8 и на этом сопротивлении не терялась слишком большая часть выпрямленного напряжения. Такая хитрость позволяет повысить напряжение на анодах, но несколько увеличивает уровень фона — на анод выходной лампы поступает плохо отфильтрованное напряжение.

В том случае, когда от усилителя требуется повышенная выходная мощность (лампа 6П14П может отдать 4–5 вт), анодное и экранное напряжения нужно повысить. Для этого выбирают другой силовой трансформатор и даже применяют другую схему выпрямителя.

Распространенные схемы анодных выпрямителей приведены на рис. 48, 1, а в табл. 14 — данные ряда силовых трансформаторов. В предпоследней колонке этой таблицы указано эффективное значение переменного напряжения (U II ) на повышающей обмотке трансформатора (для двухполупериодных — на половине обмотки). Можно считать, что такую же величину будет иметь и выпрямленное напряжение, хотя при достаточно большой емкости первого конденсатора фильтра С ф1 выпрямленное напряжение может быть на 15–25 % выше, чем U II .

Необходимо учитывать и то, что некоторая часть выпрямленного напряжения теряется в фильтре. Грубо говоря, напряжение U' в на выходе выпрямителя (на входе фильтра) должно быть примерно на 10 % больше, чем требуется для усилителя. Для переносных радиограммофонов имеет смысл применять только первые четыре трансформатора. Остальные пригодны для установок большей мощности, в том числе для радиоузлов.

Все схемы выпрямителей (рис. 48, 1) можно разделить на три группы: однополупериодные (а, б, в,), двухполупериодные (г, е) и мостовые (д). Первые работают через такт, то есть используют только один из двух полупериодов переменного напряжения (рис. 30, 16) и дают ток с частотой пульсаций 50 гц. По возможности, следует отдавать предпочтение двухполупериодным и мостовым схемам (рис. 30, 17), где используются оба полупериода и частота пульсаций составляет уже 100 гц. Это облегчает фильтрацию пульсирующего напряжения: чем выше частота, тем меньше может быть емкость конденсаторов фильтра С ф1 , С ф2 , С ф3 , замыкающих накоротко переменную составляющую этого напряжения. Кроме того, однополупериодная схема при прочих равных условиях дает более низкое выпрямленное напряжение.

рис. 30, 16

рис. 30, 17

Для двухполупериодного выпрямителя нужен трансформатор с двумя повышающими обмотками IIа, IIб, точнее, с одной обмоткой, имеющей удвоенное число витков и вывод от средней точки. Для выполнения мостовой схемы нужна одна повышающая обмотка, но зато необходимо иметь четыре вентиля. В последние годы мостовая схема применяется наиболее широко, так как появилась возможность использовать в выпрямителе плоскостные полупроводниковые диоды (табл. 15), а также типовые селеновые вентили (ABC), собранные для мостовой схемы и спрессованные в пластмассу [9].

При выборе схем и деталей выпрямителя можно вести себя довольно смело. Следует учитывать лишь два главных фактора: постоянное напряжение U в , которое нужно подвести к усилителю, и общий анодно-экранный ток I в , который он потребляет. Величина тока лимитируется самим вентилем, а также диаметром провода повышающей обмотки: чем толще провод, тем больший ток можно через него пропустить, не опасаясь перегрева. Ориентировочное значение допустимого тока I в приводится в таблице 11. В двухполупериодных и мостовых схемах можно получить I в в два раза больший, чем это указано для одного вентиля (табл. 15, рис. 80).

Наиболее опасно для вентиля обратное напряжение Uобр . , которое действует в тот момент, когда вентиль не пропускает тока. Это напряжение представляет собой сумму постоянного U в и амплитуды переменного U II ампл. напряжений. Поэтому вентиль выбирают с большим запасом — он должен выдерживать обратное напряжение, которое значительно превышает выпрямленное. В однополупериодных и двухполупериодных схемах допустимая для данного вентиля величина U обр (табл. 15, рис. 80) должна быть в три раза больше, а в мостовых в полтора раза больше, чем выпрямленное напряжение. И в тех случаях, когда один вентиль может не выдержать подводимого напряжения, соединяют последовательно два вентиля, например два полупроводниковых диода. При этом вентили (диоды) шунтируют одинаковыми сопротивлениями, чтобы напряжение всегда распределялось между ними поровну (рис. 48, 1, а, г).

В заключение поясним одну особенность кенотронных выпрямителей. Для накала кенотронов обычно используют отдельную обмотку (IV) силового трансформатора, тщательно изолированную от других обмоток и от корпуса (рис. 48, 1, б, г). Необходимость тщательной изоляции связана с тем, что на катоде действует «плюс» довольно большого напряжения (200–300 в)у и нельзя допустить, чтобы произошел пробой (короткое замыкание) катода через нить накала и накальную обмотку на корпус. В некоторых лампах (5Ц4С) катод соединен с нитью накала внутри баллона, и здесь заземлить нить накала это значит, заземлить (замкнуть накоротко) «плюсы» выпрямителя. В то же время есть лампы (6Ц5С, 6Ц4П) с хорошей изоляцией между катодом и подогревателем. При анодном напряжении до 400 в накал этих ламп можно питать от общей накальной обмотки, которая всегда заземлена (рис. 48, 1, в).

Рис. 48, 1

На рис. 48, 2 приведены схемы фильтров выпрямителя. Наилучшую фильтрацию выпрямленного напряжения дают фильтры с дросселем Др ф (рис. 48, 2, в). Дроссель оказывает довольно большое сопротивление переменной составляющей выпрямленного тока и почти беспрепятственно пропускает постоянную составляющую. Если общий выпрямленный ток I в не превышает 40–60 ма, то дроссель можно намотать проводом ПЭ-0,16 (0,2) и разместить на сердечнике сечением 3–5 см2. При токе 80—120 ма сечение сердечника и диаметр провода целесообразно увеличить примерно в полтора раза.

Рис. 48, 2

Намотка во всех случаях ведется внавал, до полного заполнения каркаса. Сердечник собирается встык с использованием тонкой бумажной прокладки (рис. 49). Вместо дросселя любители иногда включают выходные трансформаторы, точнее, их первичную обмотку.

Рис. 49. По данным выходного каскада усилителя и громкоговорителя можно рассчитать выходной трансформатор, проверить пригодность готового и, в случае необходимости, подогнать его, изменив данные вторичной обмотки.

В усилителях, где одно из главных требований — высокое качество звучания, не стоит экономить на фильтре выпрямителя. Не забудьте, что заметный фон резко ухудшает важнейшую характеристику воспроизводимого звука — динамический диапазон громкости, не говоря уже о том, что непрерывное монотонное гудение просто-напросто действует на нервы. При конструировании и налаживании усилителей следует стремиться к тому, чтобы на слух трудно было установить, включен усилитель или нет (при введенном регуляторе громкости).

Только в этом случае можно будет сказать, что усилитель работает без фона. Снижению фона уделяют особое внимание в усилителях, хорошо воспроизводящих низшие частоты.

Источником фона могут быть также накальные цепи ламп. Нить накала выбрасывает электроны, часть которых попадает на катод и создает в его цепи переменный ток с частотой 50 гц.

В итоге переменное напряжение накала попадает в катодную цепь лампы и таким образом действует между сеткой и катодом. Одна из мер борьбы с этим источником фона — обязательное заземление одного провода накальной цепи (рис. 48, 3, а). Еще лучшие результаты может дать заземление средней точки накальной обмотки (рис. 48, 3, б). Если обмотка не имеет средней точки, то ее можно создать искусственно (рис. 48, 3, в', в") с помощью низкоомного потенциометра либо двух постоянных сопротивлений по 30–50 ом. Весьма эффективная мера — питание нити накала выпрямленным напряжением (рис. 48, 3, г', г"). Этот довольно дорогой метод снижения фона имеет смысл применять только для питания нити накала первого каскада усилителя с очень высокой чувствительностью (несколько милливольт). Напряжение накала ламп подгоняют с помощью сопротивления R ф. н . Желательно для накального выпрямителя использовать отдельную обмотку с повышенным напряжением 10–20 в. Чтобы снизить напряжение накала до 6,3 в, нужно увеличить R ф. н . При этом не забудьте подобрать конденсатор С ф. н с рабочим напряжением в 15–30 в.

Кое-что может дать положительное смещение на нить накала первой лампы (рис. 48, 3, д). В этом случае на корпусе, а значит, и на управляющей сетке появляется значительный «минус» относительно нити накала и лампа оказывается запертой для накального переменного напряжения, которое «нахально лезет» на сетку.

Рис. 48, 3

В заключение еще раз напоминаем, что одна из главных причин фона — это наводки в сеточных цепях ламп первого каскада. Поэтому все эти цепи должны быть самым тщательным образом экранированы, а экраны соединены с корпусом усилителя (рис. 34).

После того как мы выяснили, чем и как нужно «кормить» усилитель, вернемся к рассмотрению практических схем радиограммофонов.

В схеме рис. 44 предполагается использование выходного трансформатора от радиолы «Рекорд-61». Он рассчитан на подключение двух громкоговорителей 1ГД-9 к лампе 6П14П. Но поскольку оптимальное сопротивление нагрузки для этой лампы примерно такое же, как и для 6П1П (рис. 80), мы применили трансформатор без переделки. Вообще же при выборе готового выходного трансформатора (табл. 16, рис. 48, 5) нужно учитывать три фактора. Во-первых, расчетная мощность трансформатора не должна быть меньше выходной мощности усилителя. Во-вторых, первичная обмотка должна иметь достаточную индуктивность. И, наконец, третье: необходим такой коэффициент трансформации, чтобы сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную обмотку, соответствовало оптимальному сопротивлению, рекомендованному для данной лампы.

Рис. 48, 5

Иногда нужно изменить коэффициент трансформации, и для этого проще всего увеличить или уменьшить число витков вторичной обмотки. При расчете данных новой обмотки достаточно знать (рис. 49) оптимальное сопротивление нагрузки R а. опт , сопротивление звуковой катушки R зв и данные трансформатора до переделки. На рис. 50 показана зависимость выходной мощности и К н.и от сопротивления нагрузки, а значит, и от коэффициента трансформации n. Обычно изменение коэффициента трансформации n на несколько процентов не слишком сильно нарушает работу выходного каскада. В то же время изменение n более чем на 10–15 % может привести к заметному снижению мощности и к росту нелинейных искажений.

Рис. 50. Меняя сопротивление во вторичной обмотке выходного трансформатора (эквивалент громкоговорителя) и добиваясь максимальной мощности при минимальных искажениях, можно определить оптимальное сопротивление анодной нагрузки.

Сборка сердечника выходного трансформатора производится встык, причем с использованием тонкой (0,1–0,15 мм) бумажной прокладки (рис. 49). Эта мера нужна для того, чтобы не допустить магнитного насыщения стального сердечника.

Постоянный ток I a0 выходной лампы, проходя по первичной обмотке выходного трансформатора, сильно намагничивает сердечник и может довести его до такого состояния, когда все элементарные магнитики повернутся вдоль магнитного поля. Это и есть магнитное насыщение — тот «потолок», выше которого магнитное поле подняться не может. Для переменной составляющей анодного тока насыщение сердечника — это самая настоящая катастрофа. Ведь переменная составляющая Iа~ должна навести ток во вторичной обмотке. Это может произойти только при изменении общего для обеих обмоток магнитного поля — такова сущность индукции (наведения) переменного тока из одной обмотки трансформатора в другую. Ну, а как может изменяться магнитное поле насыщенного сердечника? Оно может легко уменьшаться и почти не может увеличиваться — насыщение! Поэтому форма тока во вторичной обмотке окажется сильно искаженной — в те полупериоды, когда сердечник попадает в область насыщения, ток значительно меньше, чем мог бы быть.

Прокладка, которую мы вводим в стальной сердечник выходного трансформатора, разрывает его магнитную цепь, уменьшает намагниченность (это равносильно уменьшению I a0 ) и предохраняет от попадания в область магнитного насыщения. С той же целью вводится прокладка и в дроссель фильтра, индуктивное сопротивление которого при насыщении сердечника резко уменьшается. Кстати говоря, в обоих случаях введение зазора требует увеличения объема сердечника: он мог бы быть значительно меньше, если бы по первичной обмотке не проходил постоянный ток.

Усилитель, выполненный по схеме рис. 46, кажется намного проще предыдущего, хотя в принципе они мало различаются. Сравнительная простота конструкции второго усилителя связана с использованием новой комбинированной лампы — триод-пентода 6ФЗП. Эта лампа специально предназначена для двухкаскадных усилителей НЧ небольшой мощности. Ее триодная часть используется в усилителе напряжения, а пентодная — в усилителе мощности.

В усилителе имеются две цепи обратной связи. Одна из них охватывает весь усилитель — напряжение U o.c (рис. 39) подается со вторичной обмотки выходного трансформатора в сеточную цепь первого каскада. Кстати, отрицательное смещение — 1,5 в на сетке лампы создается на большом сопротивлении R 2 за счет небольшого сеточного тока (рис. 30, 22). Глубину обратной связи устанавливают при налаживании усилителя подбором сопротивлений делителя R 3 R 7 .

рис. 30, 22

Вторая цепь обратной связи (через конденсатор С 4 ) служит для регулировки тембра. Когда движок регулятора тембра R 5 (это сопротивление одновременно является утечкой сетки) находится в крайнем верхнем положении, частотная характеристика оказывается заваленной в области высших частот — именно в этой части диапазона конденсатор обладает сравнительно небольшим сопротивлением и создает сильную отрицательную обратную связь. По мере того как движок R 5 опускается вниз, обратная связь становится слабее и завал частотной характеристики исчезает.

В усилителе установлен силовой и выходной трансформаторы от приемника «Рекорд-61».

Теперь перейдем к более совершенным усилителям, схемы которых приведены на рис. 51 и 61. Прежде всего заметим, что в каждом из них имеется два каскада усиления напряжения, которые собраны на двойном триоде 6Н2П (Л 1 ). Каждый из них усиливает напряжение больше чем в 30 раз (почти на 30 дб), и, таким образом, общий коэффициент усиления составляет 1000 (около 70 дб). Это почти в 10 раз больше, чем давал пентод 6Ж1П в схеме рис. 44. Значительный запас усиления позволяет ввести довольно глубокую отрицательную обратную связь и с ее помощью значительно снизить нелинейные искажения и улучшить частотную характеристику. В этих усилителях К н.и при номинальной мощности 4 вт не превышает 3–4 %, в то время как в предыдущей схеме он при такой же мощности составил бы 7–8 %. Здесь уместно обратить внимание на то, что с увеличением мощности К н.и усилителя и громкоговорителя всегда растет. Поэтому можно несколько снизить К н.и , если уменьшить мощность, отбираемую от выходной лампы, или мощность, подводимую к громкоговорителю. И наоборот, перегрузив усилитель и громкоговоритель, вы резко увеличите К н.и .

Выходная мощность усилителя (она же является входной мощностью громкоговорителя) непосредственно зависит от уровня входного сигнала. Таким образом, ключ к управлению режимом выходного каскада в буквальном смысле слова находится в ваших руках. Поворотом регулятора громкости вы можете чрезмерно увеличить сигнал на сетке выходного каскада, ввести этот каскад в область перегрузки и резко повысить нелинейные искажения. Обычно усилитель рассчитывают так, чтобы он не мог зайти слишком далеко в область перегрузки. И если окажется, что переменное напряжение на сетке выходной лампы после усиления получится слишком большим, то от избыточного усиления легко избавляются (например, введением отрицательной обратной связи).

Запас усиления, который дал нам двухкаскадный усилитель напряжения, позволяет применить эффективные схемы регулятора тембра. Один из них (схема рис. 61, аналогичная схеме рис. 35, 5) на частотах 100 гц и 10 кгц обеспечивает глубину регулировки частотной характеристики на ±20(25) дб. Этот регулятор благодаря своей эффективности и сравнительной простоте получил очень широкое распространение.

Рис. 61. Двухламповый трехкаскадный усилитель.

Второй регулятор (схема рис. 51, аналогичная схеме рис. 35, 6) на частоте 60 гц регулирует частотную характеристику в пределах от +30 до —20 дб (то есть на 50 дб), а на частоте 8 кгц — в пределах от +15 до —20 дб. Возможность создавать значительный подъем частотной характеристики особенно важна для переносных радиограммофонов, где из-за небольших размеров акустического агрегата заметно ослабляется воспроизведение низших частот.

В обеих схемах усилителей имеется несколько цепей обратной связи. В первых каскадах для этой цели служат незашунтированные конденсаторами сопротивления в катодных цепях (рис. 39, 2). Для того чтобы охватить обратной связью главный источник искажений — выходной каскад, используется переменное напряжение, действующее на вторичной обмотке выходного трансформатора. Оно подается на катодную, то есть в сеточную цепь предоконечного каскада.

В усилителе по схеме рис. 51 в цепь обратной связи включены элементы регуляторов тембра. Особенностью этой схемы является использование нескольких громкоговорителей — двух высокочастотных 1ГД-9 и низкочастотного 5ГД-14 (табл. 8). Таким образом получается уже довольно сложный акустический агрегат, для которого можно применить четвертую конструкцию радиограммофона (рис. 44). Усилитель, конечно, не может полностью «накормить» все громкоговорители, и они работают с недогрузкой. Это нисколько не уменьшает излучаемой звуковой мощности, но зато заметно снижает искажения.

Рис. 51. Двухламповый трехкаскадный усилитель с Т-образными фильтрами коррекции.

Громкоговорители разделены на две группы: высокочастотную и низкочастотную, причем каждая группа подключается к аноду выходной лампы через собственный выходной трансформатор. Низкочастотный трансформатор Тр 1 включен в анодную цепь лампы, как обычно, а высокочастотный Тр 2 подключается через конденсатор C 13 сравнительно небольшой емкости. Конденсатор С 13 не пропускает к Тр 2 низшие частоты — они все равно плохо воспроизводятся громкоговорителями 1ГД-9. Поскольку Тр 2 избавлен от низших частот, его первичная обмотка имеет небольшую индуктивность (рис. 49). В то же время благодаря небольшим габаритам Тр 2 имеет малую индуктивность рассеяния L p , а это очень важно для хорошего воспроизведения высших частот. Трансформатор Тр 2 подключен к аноду через конденсатор, и по его первичной обмотке не проходит постоянный ток. Поэтому в трансформаторе Тр 2 применен небольшой сердечник, собранный без зазора (сборка в стык). Оба трансформатора взяты от приемника «Октава» (табл. 16), причем число витков вторичной обмотки Tp1 уменьшено до 65 (провод ПЭЛ-0,64).

В блоке питания третьего и четвертого усилителей используются силовые трансформаторы от приемника «Байкал» и дроссели, намотанные проводом ПЭ-0,15 на сердечнике III 18 X 20.

Все усилители, с которыми мы познакомились, относятся к группе однотактных. Смысл этого слова станет понятным, когда мы узнаем, как работают представители другой группы — двухтактные усилители.