Вопросы питания
Вы едва успели попасть в столовую буквально за несколько минут до закрытия. Сердитый официант на все вопросы отвечает довольно однообразно. «Первого нет… Второго нет… Закусок нет уже давно… Что же есть? Только компот…» Что поделаешь! Приходится брать пять стаканов компота. Раз в жизни можно и так пообедать…
А вот с электронной лампой подобный номер не пройдет — ей обязательно подавай полноценный обед и, как минимум, из двух блюд. На первое — полную порцию напряжения накала, на второе — анодное напряжение. Напряжение на экранную сетку и смещение на управляющую обычно можно выкроить из анодного питания (рис. 39, б и 41, б, в).
Когда речь идет о питании батарейного приемника, все обстоит сравнительно просто. Нужно иметь две батареи: накальную — низкого напряжения, способную отдать сравнительно большой ток, и анодную — с напряжением в несколько десятков вольт, от которой потребляется ток несколько десятков миллиампер. Иногда к этому обязательному «меню» добавляют еще и третье блюдо — батарею сеточного смещения.
Намного сложнее решаются вопросы питания ламповых радиоприемников, когда поставщиком энергии является электрическая сеть переменного тока. Здесь приходится решать сразу две проблемы. Во-первых, нужно из имеющегося стандартного напряжения 127 или 220 в получить пониженное напряжение накала, как правило, 6,3 в и повышенное анодное напряжение 150–250 в.
Что касается накала ламп, то подогревные катоды можно питать непосредственно переменным током. Если бы мы пропустили переменный ток через тонкую ниточку катода прямого канала, то работу приемника сопровождал бы сильный гул, как его называют, фон переменного тока. Частота переменного тока в сети — 50 гц. Это значит, что 100 раз в секунду как во время положительной, так и во время отрицательной амплитуды накального тока будет происходить некоторый подъем температуры катода. Из-за этих пульсаций температуры будет пульсировать ток эмиссии, а значит, и анодный ток лампы. В результате в анодных цепях всех ламп появится мешающий сигнал — фон, который будет воспроизведен громкоговорителем в виде грубого низкого тона.
Совсем иначе обстоит дело в подогревных лампах. Во-первых, здесь вся конструкция катода более массивна и поэтому обладает значительной тепловой инерцией. Катод не успевает остывать и нагреваться при быстрых изменениях сетевого тока, и температура его практически остается постоянной. Этому, конечно, способствует и то, что нить накала отделена от самого катода.
Итак, накальные цепи сетевых ламп можно питать переменным током. Но где взять необходимое для этого низкое напряжение? Вы уже, наверное, догадались, что его можно получить с помощью трансформатора.
Впервые мы встретились с трансформатором, когда говорили о входных цепях приемника (стр. 97). Здесь мы отметили лишь качественную сторону процесса — переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле, и оно наводит переменное напряжение (точнее э. д. с. взаимоиндукции) во вторичной обмотке. Теперь несколько слов о количественных соотношениях.
Одна из главных характеристик трансформатора — это его коэффициент трансформации — цифра, показывающая, во сколько раз число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Предположим, что коэффициент трансформации равен единице, то есть обе обмотки одинаковы. В этом случае на вторичной обмотке наведется такое же напряжение, какое подводится к первичной, — подаем на вход трансформатора один вольт и на выходе также получаем один вольт. Совсем другое дело, если обмотки разные — тогда выходное напряжение не равно входному. Если коэффициент трансформации больше единицы (такой трансформатор называется повышающим), то напряжение на выходе больше, чем на входе. В понижающем трансформаторе, где коэффициент трансформации меньше единицы, все наоборот — выходное напряжение меньше входного.
Для того чтобы закончить с этим вопросом, рассмотрим два примера. Первичная обмотка содержит 200 витков, вторичная — 1000 и, следовательно, коэффициент трансформации 5. Подав на вход напряжение 10 в, мы получим на выходе 50 в, то есть в 5 раз больше. При коэффициенте трансформации 0.2, например, при соотношении витков 200 и 40 выходное напряжение будет в 5 раз меньше входного, то есть 1 в. Необходимо отметить, что трансформатор — машина обратимая. Повышающий трансформатор становится понижающим, а понижающий повышающим, если подвести напряжение ко вторичной обмотке, а снимать его с первичной.
В приемнике имеются как минимум два трансформатора, и тот из них, который используется в блоке питания, называется сетевым, или силовым. В нем, конечно, есть первичная обмотка, к которой подводится напряжение из сети переменного тока. Вторичных обмоток в силовом трансформаторе несколько, и среди них — понижающая обмотка, которая дает напряжение 6,3 в для питания накальных цепей. Прежде чем говорить об обмотках силового трансформатора, несколько слов о его устройстве.
Высокочастотный трансформатор, с которым мы встретились во входной цепи приемника, представлял собой довольно простую конструкцию — две обычные катушки, расположенные на сравнительно небольшом расстоянии одна от другой. На низких частотах такая система уже работать не сможет. Для того чтобы это стало понятным, вам придется задуматься над вопросом, сколько витков должно быть в той или иной обмотке трансформатора? Представьте себе трансформатор, повышающий напряжение от 1 в, скажем, до 5 в. Ведь построить такой трансформатор можно с самым различным числом витков в обмотках, например 1 и 5, 200 и 1000, 50 и 250 и т. д. Как видите, коэффициент трансформации во всех случаях одинаков, а число витков разное. Так из чего же все-таки исходить при выборе числа витков?
Казалось бы, над таким вопросом и думать нечего — витков надо брать как можно меньше, например 1 и 5. Во-первых, это даст огромную экономию дорогого медного провода, во-вторых, уменьшит габариты трансформатора, в-третьих, упростит его конструкцию, в-четвертых… Но, пожалуй, не стоит перечислять достоинства, делить шкуру медведя, который еще не убит.
Всю энергию, которая подводится к первичной обмотке, можно разделить на две части. Часть энергии теряется в самой обмотке, затрачивается на преодоление ее сопротивления.
Другая часть энергии создает магнитное поле и с его помощью перекочевывает во вторичную обмотку. Здесь-то и находится главный потребитель, например нити накала ламп. Для того, чтобы во вторичную обмотку передавалось как можно больше энергии, а в первичной терялось как можно меньше, нужно, чтобы обычное, или, как его еще называют, активное сопротивление обмотки было небольшим по сравнению с ее индуктивным сопротивлением, которое характеризует отбор энергии на создание магнитного поля. Знакомясь с фильтрами, мы отмечали, что индуктивное сопротивление катушки зависит от ее индуктивности и частоты переменного тока. Чем больше индуктивность и чем больше частота, тем больше индуктивное сопротивление катушки.
Естественно, что для получения большого индуктивного сопротивления обмоток трансформатора на низкой частоте нужно делать эти обмотки с очень большим числом витков. Если бы мы захотели строить силовой трансформатор по образцу высокочастотного, то, наверное, должны были бы делать обмотки с десятками, а может быть, и с сотнями тысяч витков. К счастью, есть другой способ повысить индуктивность — применить уже знакомый нам стальной сердечник.
* * *
«ГРУЗОВИКИ» И «ЛЕГКОВЫЕ»
Большая семья автомобилей далеко не однородна. Здесь вы найдете и 25-тонный самосвал-гигант, и вездеход с передними ведущими колесами, и маленький юркий «Запорожец». Однако какую бы систему классификации автомобилей мы ни придумывали, придется обязательно выделить две основные группы — грузовики и легковые машины. Точно так же в огромном семействе полупроводниковых вентилей выделяются две похожие и в то же время отличные друг от друга группы точечных и плоскостных диодов.
Плоскостные диоды — это своего рода грузовики — они предназначены в основном для выпрямителей, пропускают довольно большой ток и выдерживают значительные обратные напряжения. Подобная нагрузка определила и конструкцию этих приборов — в них анод и катод, то есть соответственно зона р и зона n . имеют большую поверхность. Вот почему такие диоды называются плоскостными. В то же время рn -переход плоскостного диода — это не что иное, как конденсатор, и с весьма внушительной емкостью — десятки и сотни пф . Если включить плоскостной диод в высокочастотную цепь, например в цепь детектора, он практически не будет выполнять своей основной обязанности — выпрямлять переменный ток. Не обращая внимания на диод-вентиль, сигнал легко пройдет через диод-конденсатор.
В высокочастотных выпрямителях и детекторах работают « легковые » . точечные полупроводниковые диоды. Основа такого диода маленький кристалл германия или кремния, к которому примыкает тонкая металлическая игла. Возле нее и образуется «миниатюрный» рn -переход с очень небольшой емкостью. Вот некоторые данные некоторых плоскостных и точечных диодов.
По принятой в настоящее время новой системе обозначения, название всех типов полупроводниковых диодов начинается с буквы Д — диод. Далее следует цифра, в какой-то степени отражающая особенности диода:
от 9 до 99 — точечные германиевые,
от 101 до 199 — точечные кремниевые,
от 201 до 299 — плоскостные кремниевые,
от 301 до 399 — плоскостные германиевые,
от 401 до 499 и от 601 до 699 — специальные типы точечных диодов.
Кроме того, имеются еще и диоды особого назначения, своего рода пожарные или санитарные автомобили. Это диоды — стабилизаторы напряжения, диоды — переменные конденсаторы и, наконец, туннельные диоды, которые сами усиливают и генерируют электрические колебания.
* * *
Сердечник трансформатора собирается из стальных пластин, похожих на букву Ш (рис. 42, а, в). К каждой такой пластине примыкает стальная полоска. В результате после сборки получается стальной пластинчатый брус с двумя большими окнами. На средний стержень одевается каркас с обмотками, расположенными одна поверх другой (рис. 42, б).
Рис. 42
Кстати, ширина среднего стержня в миллиметрах входит в название типа пластин. Ш-32, например, означает, что пластины имеют Ш-образную форму и ширина среднего стержня равна 32 мм. Главной же характеристикой сердечника является его сечение, точнее сечение среднего стержня, которое, естественно, можно получить, умножив его ширину на толщину набора пластин. Сечение сердечника, его размеры, а значит и габариты всего трансформатора, зависят от аппетитов потребителей. Чем больше мощность, потребляемая от трансформатора, тем больше должен быть его сердечник.
Раз уж мы заговорили о мощности, то придется отметить очевидный факт: если сложить все мощности, потребляемые во всех вторичных обмотках, то как раз получится та мощность, которую сам трансформатор потребляет от сети и на которую должна быть рассчитана первичная обмотка. Теперь, по-видимому, нужно пояснить, что это значит: рассчитать обмотку на какую-либо мощность. Мощность — это произведение тока на напряжение (рис. 10). Если трансформатор потребляет от сети мощность 60 вт при напряжении 120 в, то в первичном обмотке протекает ток 0,5 а. Вот эта величина и является исходной для расчета обмотки, точнее для выбора провода.
Ток, проходя по проводнику, нагревает его. Чтобы проводник не накалился, как спираль электроплитки, и не сгорел, как плавкий предохранитель, он должен хорошо отдавать тепло, иметь достаточно большую поверхность охлаждения. Это одна из причин, по которой диаметр провода для той или иной обмотки трансформатора выбирается, исходя из величины тока — чем больше ток, тем толще должен быть провод. Так, например, накальная обмотка (так для краткости называют обмотку накала ламп) всегда выполняется довольно толстым проводом, диаметром 1–2 мм. Кстати, диаметр провода указан в его названии. Так, провод ПЭ 0,14 имеет диаметр 0,14 мм, ПЭ 1,2 — диаметр 1,2 мм и т. д. Буквы ПЭ означают «провод эмалированный». Часто применяются разновидности этого провода — ПЭЛ, лакостойкий, и ПЭВ, покрытый винифлексной эмалью. В большинстве случаев эти провода взаимозаменяемые.
В силовом трансформаторе должно быть как минимум две сетевых обмотки, точнее две секции сетевой обмотки, одна, рассчитанная на напряжение 127 в, другая — на 220 в. В первой из них число витков меньше, чем во второй, а диаметр провода больше. Это объясняется очень просто. Когда мы переключаем приемник с 220 в на 127 в, то, чтобы не уменьшились выходные напряжения, необходимо примерно в 1,7 раза увеличить коэффициент трансформации (220:127 = 1,7). Сделать это можно двумя путями — либо увеличить в 1,7 раза число витков всех вторичных обмоток, либо уменьшить в 1,7 раза число витков первичной обмотки. Поскольку вторичных обмоток несколько, а первичная одна, всегда производят необходимые переключения только в сетевой обмотке. Секция, рассчитанная на 127 в, естественно, выполнена более толстым проводом — мощность, потребляемая приемником, всегда одинакова, а значит при меньшем напряжении потребляется больший ток.
Если вы посмотрите на схемы приемников, то увидите, что специальной секции для сети 220 в не делают. К обмотке, рассчитанной на 127 в, просто добавляется секция, рассчитанная на 93 в. В итоге получается необходимая обмотка для сети 220 в (рис. 42, г). В некоторых приемниках можно встретить «хитрую» систему переключения сетевых обмоток (рис. 42, д).
Хитрость состоит в том, что имеются две намотанные сравнительно тонким проводом секции на 127 в каждая, которые включаются параллельно, что равносильно применению провода с удвоенной площадью поперечного сечения (рис. 42, е).
У каждой из секций есть участки, рассчитанные на 110 в, которые при напряжении 220 в включаются последовательно (рис. 42, ж). Таким образом удается обойтись без отдельной секции на 93 в, сэкономить провод, уменьшить габариты трансформатора.
Заканчивая наш короткий рассказ о силовом трансформаторе, хочется отметить, что хотя он и не неженка — работает при температуре до 60–70 градусов, — но все же боится перегрева и перегрузки. Перегрев, а он как раз и возникает из-за перегрузок, может привести к разрушению тонкой эмалевой изоляции обмоточных проводов и к короткому замыканию между соседними витками или соседними слоями провода. А междувитковое замыкание означает дальнейший сильный нагрев трансформатора (вплоть до температуры накаленного утюга) и даже полный выход его из строя.
Опасность, связанная с междувитковым замыканием, станет вам понятной, если попытаться представить себе последствия короткого замыкания какой-либо обмотки. В этом случае по обмотке идет очень большой ток и она потребляет чрезмерно большую мощность. Из-за этого возрастает общая потребляемая мощность, а значит и ток в первичной обмотке. То же самое произойдет, если случайно замкнется часть какой-либо обмотки или даже два соседних витка. Из-за недопустимо больших токов обмотки сильно нагреваются и трансформатор горит.
Между прочим, от всех этих неприятностей прекрасно предохраняет маленький дешевый предохранитель, если, конечно, его не заменили толстой проволокой — «жучком» или даже другим предохранителем, похожим по виду, но рассчитанным на значительно больший ток. При любой неисправности в цепях любой из вторичных обмоток трансформатора, в результате которой возрастает ток, в этой обмотке обязательно увеличится и ток в сетевой обмотке, куда включен предохранитель. При этом предохранитель перегреется, мгновенно сгорит и разорвет первичную цепь трансформатора, то есть выключит приемник из сети. Кстати, если в вашем приемнике непрерывно горят предохранители, значит в нем что-то неисправно, где-то что-то замкнуто, от сети потребляется чрезмерно большая мощность, из-за которой и возрастает ток в первичной обмотке.
Из всех потребителей силового трансформатора мы пока знаем лишь нити накала ламп, которые параллельно подключаются к шестивольтовой накальной обмотке. Один из выводов этой обмотки заземляется, то есть соединяется с металлическим корпусом (шасси) приемника. Заземляется также и один вывод нити накала каждой лампы. Таким образом шасси играет роль одного из проводов, соединяющих накальную обмотку с накальными цепями ламп.
Для того чтобы излишне не перегружать чертеж линиями, на схемах накальные провода обычно не рисуют. Незаземленный провод накальной обмотки возле самого трансформатора заканчивают стрелкой (иногда возле нее стоит буква) и такой же стрелкой заканчивают вывод самой нити накала (и здесь тоже может стоять буква, причем та же, что и возле накальной обмотки). Если вам очень захочется, то соедините на схеме эти стрелки и получится цепь питания накала без всяких упрощений. К накальной обмотке подключают и лампочки освещения шкалы, также рассчитанные па 6,3 в.
Второй потребитель энергии — анодные цепи ламп. На аноды, как мы уже говорили, нужно подать сравнительно высокое напряжение — 150–250 в. Для этой цели в силовом трансформаторе есть специальная повышающая обмотка. Правда, при работе от сети 220 в и небольшом анодном напряжении эта обмотка в некоторых приемниках не только не повышает, но даже несколько понижает напряжение. Однако из-за таких мелочей мы не будем менять уже давно установившегося названия, тем более, что повышающая обмотка по сравнению с другими вторичными обмотками дает сравнительно высокое напряжение. Иногда его для краткости просто называют высоким. Так и говорят: «куда-то пропало высокое», или «что-то слишком мало высокое», или «вот идет цепь высокого».
Анодные цепи ламп потребляют сравнительно небольшой ток, обычно 40—100 ма, и повышающая обмотка выполняется довольно тонким проводом — 0,14—0,25 мм Нужно отметить, что некоторая часть высокого напряжения теряется на самой повышающей обмотке, на ее собственном активном сопротивлении. Об этом нужно помнить при замене ламп. Так, например, если установить в приемник выходную лампу, у которой анодный ток значительно больше, чем у «настоящей» (радиомастера любят говорить «родной») лампы, то мы обнаружим не только некоторый перегрев трансформатора, но и заметное снижение анодного напряжения.
Мы ведем разговор о высоком напряжении, которое нужно подать на аноды и экранные сетки ламп, и забыли отметить самое главное — то, что дает вторичная повышающая обмотка трансформатора, нам совсем не подходит. Ведь на обмотке действует переменное напряжение, а на аноды ламп нужно подать постоянное.
Еще совсем недавно подобная проблема показалась бы нам очень сложной. Сейчас же, по-видимому, каждый из вас сумеет наметить довольно простой путь ее решения. Во-первых, с помощью вентиля нужно превратить переменное напряжение в пульсирующее, а затем с помощью фильтров отсеять все переменные составляющие этого напряжения и оставить только постоянную. Для выполнения этих двух операций в радиоприемнике появляется выпрямитель анодного питания с фильтром (рис. 43).
Рис. 43
Анодный выпрямитель по своей схеме очень напоминает детектор. Только там мы постоянную составляющую отбрасывали — она была нам просто не нужна.
Так же как и в других узлах приемника, в выпрямителе роль одного из монтажных проводов играет металлическое шасси, причем в этом случае шасси получает свою самую интересную и, конечно, самую сложную роль. К нему присоединяется нижний (по схеме) вывод повышающей обмотки трансформатора, и таким образом «минус» пульсирующего, а значит и постоянного напряжения, оказывается заземленным. В соответствии с этим заземляются и соединяются с «минусом» через шасси с минусом катоды всех ламп. Что же касается «плюса», то он снимается с вентиля и подводится к анодам ламп, разумеется, через фильтр, пропускающий только постоянную составляющую.
Знакомство с анодным выпрямителем мы начнем с конца — с фильтров, поскольку о них у нас уже было много разговоров, и сейчас остается сделать несколько конкретных замечаний об особенностях фильтра анодного выпрямителя. Прежде всего заметим, что этот фильтр почти всегда, можно даже сказать всегда, собирают по П-образной схеме (рис. 44, а). Основная часть переменной составляющей пульсирующего тока замыкается через конденсатор С 1 , так как он пропускает переменную составляющую намного легче, чем сопротивление R1 (рис. 44, а).
Рис. 44
Но если какая-то часть переменной составляющей и пройдет через R 1 то она будет тут же отведена от ламп через второй конденсатор фильтра С 2 . В то же время для постоянной составляющей путь через конденсаторы закрыт, и она может пройти только по пути — вентиль — сопротивление фильтра — нагрузка (анодные цепи, то есть участки анод — катод всех ламп) — шасси приемника — повышающая обмотка трансформатора — вентиль. Из всех элементов этой последовательной цепи наибольшим сопротивлением обладает нагрузка, и поэтому именно на ней действует основная часть выпрямленного и отфильтрованного напряжения. Это и есть постоянное анодное напряжение, необходимое для питания анодных цепей.
* * *
ПРОЩАЙ, ЛАМПА!
Нет, мы не оповещаем вас о безоговорочной капитуляции электронной лампы. Она чувствует себя пока еще достаточно уверенно. Но все-таки все больше разных обязанностей приходится ей уступать молодому и энергичному младенцу — полупроводниковому прибору. Быстрей всего сдает свои позиции кенотрон — специальный диод для выпрямителя, который теперь уже очень редко приглашают на работу. Теперь в любом приемнике его можно заменить германиевым или кремниевым плоскостным диодом. Как это сделать? Лучше всего соорудить переходную колодку, к примеру, из цоколя сгоревшей лампы.
Во всех случаях можно использовать диоды Д7Е, Д7Ж, ДГ-Ц26, ДГ-Ц27. Все сопротивления, естественно, должны быть одинаковыми, по 30—100 ком. Кто посмелее, может собрать диодный выпрямитель прямо на ламповой панельке кенотрона, разумеется, с ее обратной стороны, то есть со стороны монтажа.
* * *
С точки зрения хорошей фильтрации сопротивление R 1 должно быть как можно больше — именно оно закрывает переменной составляющей путь к анодам. Но в то же время по этому сопротивлению проходит постоянный ток и на нем теряется часть готовой продукции — часть выпрямленного напряжения. Поэтому R 1 обычно не превышает нескольких килоом. Как следует из самой идеи фильтра, емкостное сопротивление конденсаторов должно быть во много раз меньше, чем R 1 , то есть должно составлять несколько сотен, еще лучше несколько десятков ом. Частота пульсаций выпрямленного тока, а значит, частота его переменной составляющей всего 50 гц. Для того чтобы получить маленькое емкостное сопротивление при такой низкой частоте, нужны конденсаторы очень большой емкости (рис. 21).
Большой емкостью при сравнительно небольших габаритах обладают электролитические конденсаторы. В них накопление электрических зарядов на обкладках осуществляется не только обычным способом (стр. 65), но еще и за счет поляризации молекул жидкого электролита, который находится между обкладками. Этот процесс возможен только в том случае, когда к конденсатору приложено довольно большое постоянное напряжение и только под действием этого напряжения электролитический конденсатор приобретает свою номинальную емкость. Что касается выпрямителя, то это едва ли не самое подходящее место для включения электролитических конденсаторов, так как здесь к ним всегда приложено постоянное анодное напряжение.
Кстати, постоянное напряжение можно подводить к электролитическому конденсатору только в определенной полярности — к алюминиевому корпусу «—», к изолированному контактному лепестку «+». В соответствии с этим корпус конденсатора почти всегда устанавливается непосредственно на шасси приемника, куда, как уже было отмечено, подключен и минус анодного выпрямителя. Правда, в ряде случаев корпус конденсатора необходимо изолировать от шасси, так как между ними включается небольшое сопротивление (рис. 48). На корпусе конденсатора всегда указана его емкость и рабочее напряжение. Эти величины — руководство к действию при замене конденсатора. Что касается емкости, уменьшать ее крайне нежелательно, это ухудшит фильтрацию и повысит уровень фона. Увеличивать емкость, во всяком случае в 2–5 раз, можно — маслом каши не испортишь. А вот чего ни в коем случае нельзя делать, так это ставить конденсатор с меньшим рабочим напряжением, чем было раньше.
Довольно часто, особенно в многоламповых приемниках, где по сопротивлению фильтра идет большой ток (чем больше ламп, тем больше потребляемый ими ток) и на нем теряется большая часть выпрямленного напряжения, вместо этого сопротивления включают дроссель — катушку с большим числом витков и пластинчатым стальным сердечником (рис. 44, б). Такой дроссель оказывает большое сопротивление переменным составляющим пульсирующего тока и сравнительно легко пропускает его постоянную составляющую. Активное сопротивление дросселя обычно не превышает несколько сот ом.
Чтобы разгрузить сопротивление фильтра, в некоторых простых приемниках его освобождают от анодного тока выходной лампы и напряжение на ее анод подают непосредственно с первого конденсатора фильтра (рис. 44, в). К сожалению, с другими лампами проделать подобный фокус нельзя — это приведет к резкому усилению фона.
На этом мы, пожалуй, закончим рассказ о фильтрах выпрямителя и вернемся к его главному элементу — вентилю. В качестве вентиля в анодном выпрямителе можно применить полупроводниковый диод, но уже не точечный, как в детекторе, а плоскостной. Плоскостные диоды могут выпрямлять сравнительно большой ток и выдерживают большое обратное напряжение. Чтобы стало понятно, что это за обратное напряжение и почему именно оно опасно для вентиля, попробуем представить себе этот вентиль в виде сопротивления.
Это, конечно, не обычное сопротивление (иначе, зачем бы он нужен был, диод), а, образно говоря, сопротивление-хамелеон. Если приложить к диоду напряжение в прямом направлении, то есть так, чтобы диод пропускал ток, то диод этот ведет себя как очень небольшое сопротивление — единицы и десятки ом. Когда же к диоду приложено напряжение в обратной полярности, то он тока почти не пропускает. В этом случае диод эквивалентен очень большому сопротивлению, в сотни и тысячи килоом.
Если пойти на сильное упрощение схемы выпрямителя, то его можно рассматривать, как делитель напряжения, состоящий из двух частей — вентиля и нагрузки, то есть из диода и анодных цепей ламп. Напряжение па этот делитель поступает с повышающей обмотки трансформатора и распределяется по участкам цепи пропорционально их сопротивлению. В тот момент, когда диод пропускает ток, сопротивление его мало и почти все напряжение падает на нагрузке. Во время следующего, обратного полупериода большая часть напряжения приложена к диоду, так как в это время он представляет собой участок делителя с очень большим сопротивлением. Вот почему диод, да и не только диод, а вообще любой вентиль, больше всего боится обратного напряжения и должен быть рассчитан именно на это напряжение, причем с большим, обычно двухкратным, а иногда и трехкратным запасом.
На рисунке 45, а показана схема выпрямителя, где работают полупроводниковые диоды. Два диода включают последовательно тогда, когда один может не выдержать большого обратного напряжения.
Рис. 45
У вас, по-видимому, вызывают удивление сопротивления R 1 и R 2 , шунтирующие каждый из диодов. Действительно, эти сопротивления заметно снижают обратное сопротивление диода, ухудшают его выпрямительные свойства. И несмотря на это, шунтирующие сопротивления совершенно необходимы при последовательном включении полупроводниковых диодов. Дело в том, что отдельные экземпляры диодов не одинаковы, у них существует некоторый разброс параметров, в частности, разброс величины обратных сопротивлений. Это значит, что во время обратного полупериода напряжение распределяется на диодах не поровну — большая часть обратного напряжения будет приложена к диоду с большим обратным сопротивлением. Пример: диоды, рассчитанные на 300 в каждый, включены последовательно в цепь, где обратное напряжение не превышает 500 в. Казалось бы, все в порядке и даже есть небольшой запас электрической прочности — 100 в. Но представьте себе, что обратное сопротивление одного диода 100 ком, а другого — 400 ком. В этом случае на первом диоде упадет не половина, а лишь пятая часть обратного напряжения, то есть 100 в, и все остальное напряжение — 400 в — достанется второму диоду. Естественно, что бедняга не выдержит такой страшной перегрузки и немедленно выйдет из строя.
Произойдет пробой рn-перехода, и диод превратится в обычный проводник так же, как и пробитый конденсатор. Немедленно вслед за этим будет пробит и второй диод — оставшись в одиночестве, он должен будет принять на себя все 500 в обратного напряжения, а это ему, конечно, не по силам.
Вот от этих неприятностей и спасают шунтирующие сопротивления. Величина их должна быть в несколько раз меньше средней величины обратного сопротивления диода. Вспомните, что при параллельном соединении общее сопротивление примерно равно наименьшему (стр. 28). Поэтому, невзирая на разброс параметров, реальное сопротивление каждого диода теперь будет определяться шунтирующими сопротивлениями и примерно составлять 50 ком. А это означает, что обратное напряжение распределится между диодами поровну.
* * *
ПЕНСИЯ ПО СТАРОСТИ
Электронная лампа может «заболеть» и потерять трудоспособность в любом возрасте, даже через несколько часов после установки в приемник. Среди «юношеских» болезней чаще всего встречаются перегорание нити накала и короткое замыкание между электродами внутри баллона. В обоих случаях диагноз можно поставить с помощью любого простейшего прибора, который показывает, замкнута цепь или разомкнута. Индикатором может служить, например, головной телефон с батарейкой. В момент замыкания цепи в телефоне возникают сильные «щелчки».
Но обычно лампа живет очень долго и «выходит на пенсию», даже не утратив полностью своей работоспособности. Просто с течением времени уменьшается ток эмиссии катода из-за изменений в его активном слое, и в результате ухудшаются основные параметры ламп. У различных ламп «старость» проявляется по-разному.
У выходных заметно снижается мощность, высокочастотные пентоды теряют крутизну, из-за чего падает чувствительность приемника, а преобразовательные лампы по той же причине вообще перестают работать на некоторых (как правило, длинноволновых) участках того или иного диапазона — из-за малой крутизны в гетеродине не возникают колебания.
Для сетевых ламп обычно гарантируется срок службы 500 часов, для батарейных — 1000. Однако опыт показывает, что большинство ламп не торопится «на пенсию» — они работают без заметного ухудшения параметров несколько тысяч часов.
* * *
В анодном выпрямителе, кроме полупроводниковых диодов, можно встретить их дальних родственников — селеновые столбики (рис. 45, б). Их собирают из довольно большого количества выпрямляющих шайб, каждая из которых выдерживает обратное напряжение 20–30 в. Величина выпрямленного тока определяется диаметром шайбы. В последнее время селеновые столбики стали опрессовывать в пластмассу и вместо сложной ребристой конструкции они приобрели вид небольшой шоколадки.
Наконец, во многих приемниках, а также и в другой электронной аппаратуре, в анодном выпрямителе еще часто можно встретить старый добрый электровакуумный диод. Такой диод, предназначенный специально для выпрямления тока, называется кенотроном. Одна из схем его включения показана на рис. 45, в. Кенотрон совсем не пропускает тока в обратном направлении и поэтому обладает бесконечно большим обратным сопротивлением. В то же время он хорошо выдерживает довольно большие обратные напряжения. По этой причине кенотрон пока не уступает своей монополии на высоковольтные выпрямители. В частности, в телевизоре с помощью специальных кенотронов выпрямляют напряжение в несколько тысяч вольт.
Совершенно очевидно, что плюс выпрямленного напряжения снимается с катода кенотрона, то есть постоянное напряжение действует между его катодом и шасси приемника. Это значит, что нить накала должна питаться от отдельной обмотки, тщательно изолированной от шасси. Если питать нить накала кенотрона от общей накальной обмотки, один из выводов которой всегда заземлен (рис. 43), то между самим катодом («+А») и заземленным подогревателем («—А») будет действовать полное анодное напряжение и на участке катод — подогреватель в самой лампе может произойти пробой изоляции.
При разработке некоторых кенотронов, например 5Ц4С, конструкторы окончательно смирились с необходимостью питать нить накала от отдельной обмотки и один из выводов этой нити даже соединен с катодом внутри баллона. Некоторые же кенотроны, например 6Ц5С, все-таки приспособили для питания от общей накальной обмотки, и для этого повысили электрическую прочность изоляции между катодом и подогревателем. Эта изоляция выдерживает напряжение в несколько сот вольт.
У всякого, кто посмотрит на схему кенотронного выпрямителя, приведенную на рисунке 45, в, должен появиться законный вопрос: зачем у лампы два анода, если они соединены между собой? Дело здесь в том, что двуханодный кенотрон сделан совсем не для той простой схемы, с которой мы только что познакомились. Он приспособлен для двухполупериодного выпрямителя, схема которого приведена на рис. 46. В отличие от нее схема, приведенная на рис. 45, в, называется однополупериодной.
Рис. 46
Однополупериодный выпрямитель работает «через такт» — один полупериод ток идет на нагрузку, второй — пропадает бесполезно. А нельзя ли сделать так, чтобы оба полупериода участвовали в создании постоянного напряжения?
Оказывается, можно. Для этого необходимо в силовом трансформаторе намотать две повышающие обмотки, включить в них два вентиля и определенным образом сложить их пульсирующие токи. Схема такого сложения оказывается весьма простой (рис. 46). Кенотроны Л 1а и Л 1б работают поочередно, а включены они так, что каждый создает в нагрузке ток одного и того же направления. Поскольку и в той и в другой повышающей обмотке один вывод заземлен, их выполняют в виде одной обмотки с удвоенным числом витков и одним общим выводом — средней точкой. Катод у обеих половинок двуханодного кенотрона общий, так как оба катода все равно нужно было бы присоединить к одной точке — к нагрузке.
Двухполупериодный выпрямитель имеет серьезные достоинства. Во-первых, он дает большее напряжение и больший ток по сравнению с однополупериодным. Во-вторых, при двухполупериодном выпрямлении в 2 раза возрастает частота пульсаций. Теперь уже не 50, а 100 импульсов тока в секунду проходит через выпрямитель. При этом, естественно, возрастает и частота переменной составляющей, а значит, облегчаются условия работы фильтра. Во всяком случае, конденсаторы для частоты 100 гц обладают емкостным сопротивлением в 2 раза меньшим, чем для частоты 50 гц. И несмотря на это, часто приходится отказываться от двухполупериодной схемы — уж очень усложняет и удорожает трансформатор удвоенная повышающая обмотка.
В последнее время в приемниках все чаще применяется двухполупериодный выпрямитель с одинарной обмоткой. Его собирают по так называемой мостовой (иногда говорят мостиковой) схеме, где обязательно должно работать четыре вентиля (рис. 47).
Рис. 47
Рассказывать об этой схеме словами, пожалуй, не стоит — посмотрите на нее внимательно, и вы убедитесь, что благодаря особому включению вентилей ток во время обоих полупериодов идет через нагрузку в одну и ту же сторону. Кенотроны в такой схеме применять нецелесообразно — понадобится две, а то и три лампы вместо одной. В мостовой схеме применяются полупроводниковые диоды и особенно часто селеновые вентили, заранее собранные в виде моста и опрессованные в пластмассу.
В заключение хочется остановиться на одном дополнении к анодному выпрямителю, которое в общем-то не имеет к нему никакого отношения. Речь идет о включении небольшого сопротивления в цепь общего минуса (рис. 48, а). Теперь общий анодный ток всех ламп для того, чтобы попасть на минус выпрямителя, то есть на нижний по схеме вывод повышающей обмотки, должен обязательно пройти через сопротивление R 2 . Это сопротивление становится источником небольшого отрицательного напряжения, «плюс» которого заземлен, а «минус» может быть подан на сетки ламп в качестве постоянного отрицательного смещения. Для того чтобы уменьшить пульсации на сопротивлении R 2 , по нему не пропускают переменную составляющую — она замыкается через конденсатор анодного фильтра С 2 . Для этого как раз и приходится корпус этого конденсатора изолировать от шасси. Кроме того, для уменьшения пульсаций напряжение на сетки подают через дополнительный низкочастотный фильтр R 3 С 3 . Включив вместо R 2 делитель из нескольких сопротивлений, можно получить несколько напряжений, различных по величине и отрицательных относительно шасси (рис. 48, б).
Рис. 48
Итак, мы с вами можем уже предложить электронной лампе тот «обед», который требуется ей для нормальной работы, знаем, как приготовить для нее все «блюда» — и анодное напряжение, и накальное, и даже отрицательное смещение на сетку. Сейчас вы убедитесь в том, что лампа не напрасно «ест хлеб», что, получив то, что требовалось, электронная лампа отлично справляется с разнообразными сложными заданиями, которые возлагаются на нее в радиоприемнике.
