Шаг за шагом

Наряду с электронной лампой и источником ее питания одним из важнейших элементов усилительного каскада является анодная нагрузка. Именно в нагрузке и выделяется «мощная копия» усиливаемого сигнала.

Как уже отмечалось, в качестве нагрузки может использоваться головной телефон, громкоговоритель, обычное сопротивление, колебательный контур, дроссель (лист 131) и другие элементы. Нагрузка, как правило, включается непосредственно в анодную цепь лампы, и через нее к аноду подводится положительное напряжение. Рассмотрим вкратце работу усилительного каскада, в котором в качестве анодной нагрузки используется обычное сопротивление (лист 132).

Если напряжение на управляющей сетке неизменно, то в анодной цепи лампы протекает постоянный ток - ток покоя. Если же к управляющей сетке подвести усиливаемый сигнал, то анодный ток станет пульсирующим: под действием сигнала, приложенного к сетке, будет изменяться величина анодного тока, однако направление его всегда будет одним и тем же - от анода к катоду. Электроны, конечно, двигаются от катода к аноду, но при рассмотрении схем мы пользуемся условным направлением тока.

Пульсирующий анодный ток содержит постоянную I_а= и переменную I_a≈ составляющие, которые в случае необходимости можно разделить с помощью фильтров (лист 124). Основную роль в процессе усиления играет переменная составляющая I_a≈ анодного тока, появившаяся под действием усиливаемого сигнала: именно I_a≈ , проходя по нагрузке, создает мощную копию этого сигнала.

На чертеже 11 более подробно показан пут переменной составляющей анодного тока в усилительном каскаде. Через лампу и нагрузку переменная составляющая I_a≈ проходит вместе с постоянной I_а=, а затем пути их расходятся: переменная составляющая возвращается к лампе через конденсатор фильтра вырямителей С_ф2(С₃₄), а постоянная составляющая проходит через повышающую обмотку трансформатора через вентиль и сопротивление фильтра R_ф(_R19). При батарейном питании анодной цепи обе составляющие I_а= и I_a≈, проходят через батарею, причём последнюю рекомендуется шунтировать конденсатором большой емкости, чтобы облегчить путь для I_a≈.

Переменная составляющая анодного тока I_a≈, переходя по анодной нагрузке, создает на ней переменное напряжение и выделяет определенную мощность (лист 133).

Практически можно считать, что напряжение Uвых равно U_н≈, так как емкостное сопротивление переходного конденсатора С_с(С₂₈) сравнительно невелико.

Чем больше сопротивление анодной нагрузки R_н, тем больше будет переменное напряжение U_н≈, а следовательно, и U_вых. Иными словами: чем больше сопротивление анодной нагрузки, тем больше и усиление каскада (рис. 89).

Однако беспредельно увеличивать анодную нагрузку нельзя, так как это может привести к появлению сильных искажений сигнала и к уменьшению переменного напряжения.

Одна из причин, ограничивающих увеличение сопротивления нагрузки R_н, связана с тем, что постоянная составляющая анодного тока I_a=, проходя по сопротивлению R_н, создает на нем постоянное падение напряжений. Чем больше ток I_а= и чем больше сопротивление R_н тем большая часть напряжения, поступающего с выпрямителя, теряется на нагрузке и тем, следовательно, меньше постоянное напряжение, действующее между анодом и катодом лампы (анодное напряжение). При очень большом сопротивлении нагрузки анодное напряжение может уменьшиться настолько, что каскад вообще перестанет усиливать (рис. 90). Сказанное можно пояснить и иначе. Лампа и нагрузка образуют своеобразный делитель напряжения, подключенный к анодному выпрямителю. Чем больше сопротивление верхней части делителя, то есть сопротивления R_н, тем меньшая часть напряжения остается на участке анод - катод.

Максимально допустимая величина R_н определяется также переменным напряжением, которое действует между анодом и катодом лампы. В некоторые моменты времени полярность переменного напряжения на аноде такова, что оно действует против постоянного напряжения и общее напряжение на аноде очень мало (лист 130). В эти моменты анод плохо «притягивает» электроны, анодный ток резко уменьшается и перестает «подчиняться» управляющему напряжению на сетке. В результате этого форма кривой анодного тока становится не похожей на форму кривой управляющего напряжения, то есть появляются нелинейные искажения.

Для того чтобы не было всех этих неприятных явлений, минимальное напряжение, которое остается на аноде, даже в самом неблагоприятном случае должно составлять не меньше чем 10-30% постоянного анодного напряжения. Поэтому сопротивление нагрузки нужно выбирать с таким расчетом, чтобы амплитуда переменного напряжения на нагрузке не превышала бы 70-90% постоянного анодного напряжения.

Для каждого типа лампы имеется некоторая оптимальная (наивыгоднейшая) величина сопротивления анодной нагрузки, которая указывается в числе параметров лампы или определяется расчетным путем. Ориентировочно можно считать, что для триодов оптимальное сопротивление нагрузки должно быть в два-три раза больше, а для пентодов в два - десять раз меньше внутреннего сопротивления лампы R_i (лист 133).

Подбирая анодную нагрузку опытным путем, следует начинать с небольших сопротивлений и увеличивать R_н до тех пор, пока не прекратится рост выходного напряжения или пока не появятся искажения.

Иногда в качестве анодной нагрузки применяют дроссели (лист 131). В этом случае переменное напряжение U_н≈ на нагрузке определяется в основном индуктивным сопротивлением х_L дросселя. Сопротивление это легко сделать большим, применяя, например, стальной сердечник. В то же время дроссель обладает сравнительно небольшим сопротивлением для постоянного тока, и падение постоянного напряжения на нем невелико. Поэтому в усилительном каскаде с дросселем в качестве нагрузки почти все напряжение выпрямителя действует на аноде лампы. Этим же свойством отличается и усилительный каскад, в анодную цепь которого включен трансформатор или колебательный контур. Несмотря на указанное достоинство, дроссель редко применяется в качестве нагрузки в усилителе НЧ, так как он вносит сильные частотные искажения: сопротивление нагрузки х_L а следовательно, усиление каскада резко меняется с частотой.

В усилителях ВЧ анодной нагрузкой обычно служит колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой усиливаемого сигнала (лист 131).

Важным элементом любого усилительного каскада является сопротивление утечки R_с, включенное в сеточную цепь лампы. Необходимость включения этого сопротивления объясняется тем, что часть вылетевших из катода электронов всегда попадает на управляющую сетку. Накапливаясь на сетке, электроны создают на ней большой отрицательный заряд, который может препятствовать движению электронов от катода к аноду, так как на сетке появляется «минус» и лампа оказывается запертой (рис. 91).

Для борьбы с этим явлением между сеткой и катодом и включают сопротивление R_с по которому электроны, попадающие па сетку, возвращаются обратно на катод (рис. 92). Величину сопротивления R_с выбирают довольно большую - от нескольких сот килоом до нескольких мегом. При меньших значениях это сопротивление будет заметно шунтировать источник усиливаемого сигнала (цепь детектора, колебательный контур и т. п.). При больших значениях R_с переход электронов с сетки на катод затруднится. В тех случаях, когда между сеткой и катодом включен какой-нибудь элемент цепи, пропускающий постоянный ток (угольный микрофон, обмотка трансформатора, контурная катушка и т. п.), необходимость в сопротивлении R_с отпадает (лист 134).

Рассматривая работу усилительного каскада, обратимся к так называемой динамической характеристике лампы. Динамическая характеристика отличается от рассмотренной нами раньше (рис. 65) тем, что в ней учитывается изменение напряжения на аноде лампы при подаче сигнала на ее сетку. Совмещая график изменения напряжения на сетке с динамической характеристикой, можно легко получить график, показывающий, как изменяется анодный ток с течением времени. Пример построения такого графика показан на рис. 93.

Чтобы не было искажений, связанных с появлением сеточного тока, на сетке не должно быть положительного напряжения. Добиться этого можно сравнительно просто: подав на сетку (относительно катода!) вместе с усиливаемым сигналом постоянное отрицательное напряжение - отрицательное смещение. В этом случае напряжение на сетке будет меняться так же, как и раньше, в такт с сигналом, однако оно всегда будет оставаться отрицательным.

Для каждого значения напряжения на сетке U_c по динамической характеристике находим соответствующее значение тока I_a и наносим его на график, показывающий зависимость I_a от времени t. Так, например, в момент "5 сек" U_c = -1,5 в. Как видно из динамической характеристики, при U_c = -1,5 в, анодный ток I_a = 3 ма. Отсюда следует, что на график тока для момента "5 сек" нужно нанести значение I_a = 3 ма. Проделав подобную операцию для всех значений U_c, мы получим график изменения тока I_a. Построение графиков, как это уже много раз было и раньше, помогает нам сравнительно легко описывать сложные процессы, происходящие в усилительном каскаде.

Для упрощения рисунка при построении графика анодного тока была допущена одна неточность: мы не учли, что при положительных напряжениях на сетке появляется сеточный ток и поэтому несколько уменьшает число электронов, идущих к аноду. В результате появления сеточного тока изменяется форма анодного тока (в некоторые моменты анодный ток оказывается меньше, чем должен быть, то есть появляются нелинейные искажения (рис. 94).

Чтобы не было искажений, связанных с появлением сеточного тока, на сетке не должно быть положительного напряжения. Добиться этого можно сравнительно просто: подав на сетку (относительно катода!) вместе с усиливаемым сигналом постоянное отрицательное напряжение - отрицательное смещение (рис. 95, 96). В этом случае напряжение на сетке будет меняться так же, как и раньше, в такт с сигналом, однако оно всегда будет оставаться отрицательным.

Величину отрицательного смещения нужно подбирать тщательно. При очень большом смещении лампа в некоторые моменты может оказаться запертой (это явление называется отсечкой), что, конечно, вызовет искажение формы анодного тока. Отрицательное смещение нужно выбирать с таким расчетом, чтобы ток покоя I_пок соответствовал середине прямолинейного участка ламповой характеристики. Этот участок с одной стороны ограничен положительным напряжением на сетке, а с другой стороны - нижним загибом характеристики (рис. 96, лист 135).

Существует несколько способов подачи отрицательного смещения на управляющую сетку. Один из них состоит в том, что в сеточную цепь лампы «минусом» к сетке включают специальную батарею смещения (лист 136). Если U_см должно быть меньше, чем напряжение батареи, можно применить обычный делитель напряжения.

При другом способе, получившем очень широкое распространение, используются падение напряжения на сопротивлении, _Rк (не путайте с сопротивлением потерь в контуре), специально включенном для этой цели в катодную цепь (лист 137). Проходя по сопротивлению катодный ток I_к (сумма постоянных составляющих анодного I_a= и экранного I_э= токов) создает на нем напряжение U_см. "Плюс" этого напряжения приложен к катоду лампы, а минус - к корпусу (или к общему проводу). С корпусом соединяется также и нижний (по схеме) конец сопротивления R_с, и, таким образом, напряжение на сопротивлении R_к фактически действует между сеткой и катодом. Необходимая величина отрицательного смещения устанавливается подбором сопротивления R_к - чем больше тем больше отрицательное смещение на сетке.

Для того чтобы на сопротивлении R_к не появилось переменного напряжения, это сопротивление шунтируют конденсатором С_к. Емкость конденсатора С_к подбирают с таким расчетом, чтобы даже на самой низкой из усиливаемых частот его емкостное сопротивление х_с было в десять - пятнадцать раз меньше чем R_к. Если же конденсатор С_к легко пропускает самые низкие частоты, то более высокие он пропустит еще легче.

Иногда для получения отрицательного смещения используют сопротивление утечки R_с (лист 138). Дело в том, что небольшой, порядка нескольких микроампер, сеточный ток существует всегда, даже при отрицательных напряжениях на сетке. Если выбрать достаточно большим (10-20 Мом), то на этом сопротивлении можно получить довольно большое, порядка нескольких вольт, напряжение, «минус» которого будет приложен к сетке.

В большинстве промышленных приемников для получения различных напряжений смещения используют сопротивление, включаемое в так называемую минусовую цепь выпрямителя (лист 139). Общий анодный ток всех ламп, проходя по этому сопротивлению, создает на нем определенное падение напряжения. Если заземлить катоды ламп, а также заземлить точку а, то в точке б будет отрицательное, относительно катода, напряжение, которое можно подавать на сетку лампы в качестве смещения. Включив между точками а и б несколько сопротивлений, то есть сделав делитель напряжения, можно получить разные по величине отрицательные напряжения для подачи на сетки различных ламп.

Рассматривая перечисленные способы получения смещения, нужно всегда помнить о направлении тока. Электроны в лампе двигаются от катода к сетке и аноду, а если ввести в баллон положительный заряд, то он будет двигаться от анода или от сетки к катоду. Мы уже знаем, что это направление принято считать направлением тока в лампе, так как вообще за направление электрического тока принято направление Движения положительных зарядов.

Между прочим, как бы мы ни рассматривали процессы в лампе, исходя из условного направления тока или фактического направления движения электронов, результат мы получим один и тот же. Взять, например, схему, изображенную на листе 138. Условное направление тока на этой схеме - от сетки к катоду внутри лампы, затем по внешней цепи от катода к нижнему концу сопротивления R_с (по шасси) снизу вверх через сопротивление R_с и с верхнего конца R_с обратно на сетку. При таком направлении тока на нижнем конце сопротивления будет «плюс», а на верхнем - «минус», так как ток (имеются в виду положительные заряды) течет от «плюса» к «минусу».

Теперь давайте рассмотрим эту схему, исходя из реального движения электронов. Они, как известно, двигаются от катода к сетке и далее сверху вниз по сопротивлению R_с. Совершенно ясно, что электроны будут двигаться по этому сопротивлению только в том случае, если вверху будет их избыток, а внизу недостаток, или, иными словами, если вверху будет «минус», а внизу «плюс». Теперь видно, что, из чего бы мы ни исходили - из условного или из фактического направления тока, несмотря на то что эти направления противоположны, результат получится одинаковым.

Да иначе и быть не может - ведь положительные заряды двигаются от «плюса» к «минусу», а электроны от «минуса» к «плюсу». Попробуйте проверить полярность напряжения смещения на других схемах для условного и фактического направления тока. Умение быстро определять направление тока и полярность напряжения на отдельных участках цепи - это одно из обязательных условий свободного чтения схем.

Все описанные выше элементы - нагрузка, источник смещения, сопротивление утечки - являются общими для усилителей низкой и высокой частоты, независимо от их мощности. Сейчас мы посмотрим, как практически выглядят эти элементы в двухкаскадном усилителе низкой частоты.