Трансформаторы низкой и высокой частоты

После этого отступления, посвященного вопросам питания, вернемся снова к трансформатору. Трансформатор, предназначенный для низкой частоты, содержит большое количество витков (несколько тысяч) в каждой обмотке. Между витками, так же как и между обеими обмотками, образуются емкости. В трансформаторе возникают потери, вызываемые вихревыми токами и другими причинами. Все это приводит к тому, что не все частоты передаются одинаково эффективно и трансформатор вносит искажения. Чтобы искажения были незначительными, необходим трансформатор очень высокого качества. В идеальном случае передача всех звуковых частот должна быть одинаковой. Но это только идеал…

Такое требование, являющееся идеальным для трансформаторов низкой частоты, было бы недопустимо для трансформаторов высокой частоты, где, наоборот, стремятся пропустить только одну частоту (частоту принимаемого передатчика) в ущерб всем другим частотам. Следовательно, трансформаторы высокой частоты должны быть избирательными. С этой целью с помощью конденсаторов переменной емкости настраивают одну из обмоток (первичную или вторичную) или обе обмотки.

 

 

Двухтактная схема

Чтобы закончить главу об усилителях на трансформаторах, остается рассмотреть очень распространенную и заслуживающую изучения схему. Речь идет о двухтактной, или симметричной, схеме, которую называют иногда также балансной.

В этой схеме (рис. 54) сигнал с выхода первой лампы (Л₁) одновременно подается через трансформатор Tp₁ на две лампы (Л₂ и Л₃), составляющие собственно двухтактный каскад. На рисунке прекрасно видна полная симметрия схемы, работу которой мы и разберем.

На лампы Л₂ и Л₃ каждое мгновение воздействуют сеточные напряжения противоположных знаков. Действительно, если во время одного из полупериодов электроны во вторичной обмотке трансформатора Тр₂ перемещаются сверху вниз, то потенциал сетки лампы Л₂ становится менее отрицательным, а сетки лампы Л₃ – более отрицательным. При следующем полупериоде распределение потенциалов как раз противоположно. Таким образом, когда анодный ток лампы Л₂ повышается, анодный ток лампы Л₃ понижается и наоборот. Обе лампы работают в противоположной полярности в два такта, чем и объясняется происхождение названия «двухтактный».

Для использования переменных анодных токов противоположных полярностей установлен второй трансформатор (Тр₂) с выводом от средней точки на первичной обмотке. Таким образом, ток каждой лампы проходит лишь по половине первичной обмотки. Оба тока проходят по обмотке в противоположных направлениях, но сами токи имеют противоположную полярность, поэтому действие токов в конечном счете складывается, так как их магнитные поля имеют одинаковое направление. Таким образом, обе переменные составляющие совместно индуктируют во вторичной обмотке ток, воздействующий на громкоговоритель Гр.

Если переменные составляющие анодного тока обеих ламп действуют согласованно, то постоянные составляющие, имеющие одинаковую величину, но протекающие по половинам первичной обмотки в разных направлениях, создают противоположно направленные магнитные поля, которые взаимно уничтожаются.

В этом заключается одно из преимуществ двухтактной схемы. Благодаря отсутствию постоянного магнитного поля сердечник трансформатора работает в наилучших условиях, так как его намагничивание определяется лишь переменными составляющими. Магнитная проводимость сердечника, снижающаяся при увеличении подмагничивающего поля, оказывается значительно выше, чем при наличии постоянного поля, создаваемого постоянной составляющей.

К этому преимуществу следует добавить еще и другие. Так, например, благодаря работе обеих ламп в противоположной полярности компенсируются некоторые искажения, обусловленные кривизной их характеристик (нелинейные искажения).

 

Комментарии к двенадцатой беседе

 

 

Различные режимы усиления

В двухтактной схеме можно выбрать рабочую точку на нижнем изгибе характеристики. Для этого на сетку лампы достаточно подать смещение, значительно более высокое, чем в рассмотренных нами ранее режимах работы усилительных ламп. В таком режиме только положительные полупериоды сеточного напряжения создадут заметные изменения анодного тока. Таким образом, обе лампы будут работать поочередна. Но в выходном трансформаторе колебание будет полностью восстановлено, потому что полупериоды будут следовать в нем каждый в должном направлении.

При таком методе работы, носящем название режима В, на сетки можно подавать переменные напряжения с амплитудой, значительно большей (примерно вдвое), чем в режиме А, т. е. при обычном режиме усиления, когда рабочая точка должна находиться в середине линейного участка характеристики.

В двухтактной схеме, работающей в режиме В, лампы используются более полно и можно получить более высокую мощность, чем в режиме А.

Само собой разумеется, что в качестве рабочей точки в двухтактной схеме может быть выбрана любая, промежуточная между точками, соответствующими режимам А и В. В этом случае говорят, что лампы работают в режиме A₁ или режиме АВ (рис. 143).

 

 

Рис. 143. Рабочие точки ламп, работающих в режимах А, В и С.

 

Для сведения упомянем о работе в режиме С, когда рабочая точка находится левее нижнего изгиба характеристики, т. е. когда только вершины положительных полупериодов могут вызвать анодный ток. Такой режим используется в некоторых передатчиках и измерительных приборах.

 

 

Резистивно‑емкостная связь

Принцип этой связи весьма прост: между анодной цепью первой и сеточной цепью второй ламп включается переходный конденсатор. Как мы знаем, анодный ток создает на нагрузочном сопротивлении падение напряжения, в котором содержится переменная составляющая. Переменное напряжение подается на сетку следующей лампы через конденсатор с правильно подобранной емкостью. Сюда же подается необходимое напряжение смещения, определяющее положение рабочей точки. Смещение подается с помощью сеточного резистора, подключенного к отрицательному полюсу источника высокого напряжения (рис. 56).

Емкость конденсатора связи, установленного между анодом одной и сеткой следующей лампы, должна быть достаточной для беспрепятственной передачи переменного напряжения. В каскадах высокой частоты достаточно иметь емкость 500 пф, а в каскадах низкой частоты необходимо ставить конденсаторы порядка 10 000 пф (0,01 мкф).

Сеточный резистор имеет сопротивление порядка сотен тысяч ом; одной из наиболее часто применяемых величин является 0,5 Moм.

 

 

Резисторный усилитель

Наиболее простой нагрузкой, включаемой в анодную цепь лампы, является активное сопротивление – резистор R (рис. 55). Такая нагрузка используется в усилителях низкой частоты в большинстве современных приемников. На высокой частоте такой метод усиления неприменим, хотя бы из‑за отсутствия выигрыша по избирательности; в усилителях низкой частоты преимущество этого метода заключается в экономичности и в том, что он обеспечивает почти одинаковое усиление всех звуковых частот.

Выбор сопротивления резистора R зависит от ряда факторов и, в частности, от внутреннего сопротивления лампы. В зависимости от типа применяемой лампы оно может быть несколько десятков или сотен тысяч ом.

Не следует забывать, что постоянная составляющая анодного тока вызывает падение напряжения на этом резисторе и тем самым снижает фактическое напряжение между анодом и катодом. Так, если источник высокого напряжения дает 250 в, резистор имеет сопротивление 150 ком, а средний анодный ток равен 0,6 ма (0,0006 а), то падение напряжения составит 0,0006·150 000 = 90 в. Следовательно, на участке анод – катод останется всего 250 – 90 = 160 в.

 

 

Дроссельный усилитель

Применение в качестве анодной нагрузки индуктивного сопротивления – дросселя вместо активного – резистора позволяет значительно снизить падение постоянного напряжения, что представляет особый интерес, когда источник анодного тока имеет небольшое напряжение (рис. 57).

Однако по сравнению с резисторным усилителем дроссельный усилитель имеет серьезный недостаток Он подчеркивает высокие звуковые частоты в ущерб низким. Индуктивнее сопротивление пропорционально частоте, и поэтому более высокие частоты создают на нем и более высокие напряжения, в результате чего усиливаются преимущественно высокие частоты. На практике в правильно построенном усилителе можно в значительной степени ослабить указанный недостаток (например, путем включения параллельно дросселю резистора), поэтому не следует считать, что такой метод усиления отличается недопустимыми искажениями, и по этой причине отказываться от его применения.

 

 

Другие схемы усилителей

Высокочастотные усилители на индуктивном сопротивлении применяются очень редко, так как они не дают никакого выигрыша по избирательности. В этой области частот его предпочитают заменить таким специфическим сопротивлением, как настроенный колебательный контур. Схема каскада усиления высокой частоты с настроенным контуром изображена на рис. 58; цепь связи имеет малое активное и большое комплексное сопротивления для токов резонансной частоты. Отсутствие сколько‑нибудь значительного падения постоянного напряжения, повышенная избирательность, и хорошее усиление – вот основные параметры, говорящие в пользу этой схемы.

Полезно также отметить, что иногда бывает выгодно применить цепь связи, сочетающую трансформатор и резистор, как это показано на рис. 144. В этой схеме составляющие анодного тока расходятся на выходе анода постоянная составляющая идет через резистор R, а переменная составляющая проходит через конденсатор связи С и первичную обмотку трансформатора Тр, вследствие чего во вторичной обмотке появляется переменное напряжение, подаваемое на сетку следующей лампы. Преимущество этого метода заключается в том, что через трансформатор не протекает постоянный ток и его сердечник работает в наилучших условиях. Это, как мы помним, одно из преимуществ двухактной схемы.

 

 

Рис. 144. Смешанная трансформаторно‑резистивная связь.

 

 

Инверсные схемы

Поскольку мы упомянули об этой схеме, воспользуемся случаем и отметим, что и в двухтактной схеме трансформаторная связь легко может быть заменена резистивно‑емкостной. Вместо входного трансформатора, роль которого сводится к подаче на сетки ламп двухтактной схемы напряжений противоположных полярностей, можно применить инверсную схему, т.е. каскад, который изменяет полярность напряжения на одной из сеток.

На рис. 145 изображена часто применяемая схема инверсного каскада. Предварительный усилитель возбуждает сетку одной из ламп двухтактного каскада через конденсатор С₁. Одновременно на сетку лампы инвертора подается с резистора R ₁ часть этого же напряжения через конденсатор С₃. Напряжение на анодном резисторе R₂ этой лампы имеет полярность, противоположную полярности напряжения на сетке.

 

 

Рис. 145. Схема двухтактного каскада с фазоинвертором.

_{1 – предварительный усилитель; 2 – фазоинвертор; 3 – лампы мощного двухтактного каскада; 4 – громкоговоритель.}

 

Почему так получается? Потому, что, например, при увеличении напряжения на сетке лампы инвертора увеличивается ее анодный ток и, следовательно, падение напряжения на анодном резисторе R₂. Так как это падение напряжения вычитается из напряжения источника питания, напряжение на аноде лампы уменьшается.

Следовательно, анодное напряжение инвертора может быть использовано для возбуждения второй лампы двухтактного каскада (через конденсатор связи С₂), так как его полярность противоположна полярности напряжения на конденсаторе С₁.

Легко догадаться, что на сетку лампы инвертора следует подавать только часть напряжения. Ведь напряжения на сетках ламп двухтактного каскада должны быть равны, а коэффициент усиления инвертора больше единицы.

Из схемы видно, что для получения напряжения смещения на сетках ламп двухтактного каскада использовано общее катодное сопротивление – резистор R₃.

Конденсатора развязки параллельно этому резистору можно не ставить, так как полярности обоих анодных токов в этой цепи противоположны и поэтому взаимно компенсируются.

Другая часто встречающаяся схема возбуждения двухтактного каскада с использованием анодно‑катодного повторителя приведена на рис. 146. В этой схеме один из резисторов связи (R₁) включен в анодную цепь предварительного каскада (анодно‑катодного повторителя), а другой (R₂) – в его катодную цепь. Легко убедиться, что полярности напряжений в точках А и Б противоположны.

При увеличении напряжения на сетке анодный ток возрастет, вследствие чего напряжение в точке А падает, а в точке Б растет. Остается лишь соединить эти точки с сетками ламп двухтактного каскада через конденсаторы связи С₁ и С₂.

Следует отметить, что анодно‑катодный повторитель не дает усиления.

 

 

Рис. 146. Схема двухтактного каскада с анодно‑катодным повторителем.

_{1 – анодно‑катодный повторитель; 2 – лампы мощного двухтактного каскада; 3 – громкоговоритель.}

 

 

Связь с диодом

До сих пор, рассматривая различные способы связи между лампами, мы всегда предполагали, что предшествующей лампой является триод. Все, что было сказано по этому вопросу, может быть применено и к лампам с большим количеством электродов. Однако следует особо рассмотреть связь с диодом.

Все сказанное до сих пор о детекторном диоде было основано на том, что детектированный ток подается на телефонные трубки. Однако в большинстве приемников после детектора имеются одна или несколько ламп, служащих для усиления низкой частоты.

Связь между диодом и последующими лампами осуществляется с помощью резистора, включенного в цепь вместо телефонных трубок (см. рис. 39 и 59). Этот резистор служит анодной нагрузкой диода, остальная же часть схемы не имеет никаких особенностей.

Стремление к снижению размеров и стоимости приемника привело изготовителей к созданию комбинированных ламп, в которых в одном баллоне с общим катодом находятся детекторный диод и триод, используемый в качестве первого усилителя низкой частоты (существуют даже лампы, состоящие из двух диодов и пентодов). Схема с комбинированной лампой детектор‑усилитель выполняется так же, как если бы использовались две отдельные лампы (см. рис. 59 и 61).

Так как усилительная лампа должна иметь отрицательное смещение, резистор R₂ подключается к отрицательному концу резистора смещения R₃. Но на аноде диода не должно быть отрицательного потенциала, и поэтому резистор анодной нагрузки R₁ подключается непосредственно к катоду.

 

 

Сеточное детектирование

Необязательно передавать напряжение низкой частоты на сетку через конденсатор связи С₂. Можно объединить сетку лампы и анод диода в один электрод. Таким образом, мы получим триод, включенный по схеме сеточного детектирования, как это показано на рис. 62, и в эквивалентных вариантах схемы на рис. 63 и 64. Этот некогда очень широко распространенный метод комбинированного детектирования и усиления довольно часто используется и в наши дни. Его преимущества – простота и чувствительность. Но он далеко не свободен от искажений, хотя бы потому, что напряжение смещения на сетке не остается постоянным, что необходимо для работы лампы в качестве усилителя.

Отметим, что в этой схеме традиционные элементы цепи детектирования имеют следующие величины: резистор R₁ – около 1 Мом, а конденсатор С₁ – порядка 50–150 пф.