РЕЖИМЫ, ПАРАМЕТРЫ И РАБОТА ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЛАМП

А, Азатьян Радио №1/1963 ст. 35

Усилители напряжения и мощности.Предварительные усилители, в отличие от оконечных, часто называют усилителями напряжения. Такое название не совсем правильно, так как усилитель напряжения тоже является усилителем мощности и не может быть заменен повышающим трансформатором. Для типичного режима работы лампы выходного каскада характерно максимальное изменение анодного тока, вызываемое большим переменным напряжением сигнала на сетке. Как правило, оконечный усилитель является усилителем сильных сигналов, в то время как предварительные каскады представляют собой усилители слабых сигналов. При слабом сигнале, измеряемом микровольтами или милливольтами, используется весьма небольшой участок анодно-сеточной характеристики, в результате чего переменная слагающая анодного тока /а представляет собой незначительную величину по сравнению с постоянной составляющей /а==. Однако уменьшение постоянной составляющей в целях экономии питания приводит к неизбежному снижению крутизны лампы S (см. рис. 1) и, следовательно, к уменьшению усиления. Вот почему при усилении слабых сигналов анодный ток лампы меньше анодного тока оконечной лампы всего лишь в несколько раз.

Для получения максимальной мощности анодный ток необходимо изменять в широких пределах. Это можно осуществить при разных положениях рабочей точки на характеристике лампы (рис. 2 и 3). Первый режим, называемый режимом А, характеризуется тем, что анодный ток течет непрерывно. Во втором случае (режим В), анодный ток течет лишь в течение половины периода (или несколько больше) напряжения сигнала, поступающего на управляющую сетку.

Вследствие непрямолинейности используемого участка анодно-сеточной характеристики в режиме А, форма анодного тока несколько отличается от формы сеточного напряжения, то есть появляются нелинейные искажения (искажения, обусловленные нелинейностью ламповой характеристики). При синусоидальной форме напряжения в цепи сетки переменная составляющая анодного тока в результате нелинейных искажений получит форму, отличную от синусоиды. Это значит, что в анодной цепи, наряду с переменным током основной частоты, появились токи таких частот, которых в цепи сетки не было. Эти частоты находятся в кратном соотношении с основной частотой, то есть больше нее в целое число раз. Очевидно, что нелинейные искажения тем значительнее, чем сильнее кривизна используемого участка характеристики. Величина нелинейных искажений, выражаемая в процентах, оценивается отношением

где I~1 — ток первой гармоники (основной частоты),

I~2 — ток второй гармоники (двойной частоты),

I~з — I~п —токи соответствующих гармоник. Обычно самыми значительными гармоническими составляющими искаженного сигнала являются вторая и третья гармоники. Средняя норма допустимых нелинейных искажений, вносимых выходной лампой при отдаче максимальной мощности, составляет 5—10%.

Несравненно более сильные нелинейные искажения, чем в режиме Л, получаются в режиме В. Этот режим может использоваться только в двухтактном усилителе, принципиальная схема которого приведена на рис. 4. Вторичная обмотка входного трансформатора Трг состоит из двух половин. На выводах этой обмотки, относительно средней точки, получаются напряжения сигнала всегда равные по величине и обратные по знаку. Таким образом, положительные полупериоды напряжения сигнала, действующие попеременно на сетках, то одного, то другого триода, вызывают в анодной цепи появление обоих полуволн, что приводит к восстановлению в цепи вторичной обмотки выходного трансформатора Тр» синусоидального переменyого напряжения.

Преимущество двухтактной схемы, по сравнению с однотактной, состоит в том, что благодаря встречному направлению постоянных слагающих анодных токов в обмотках трансформатора Тр2, они взаимно уничтожаются. Благодаря этому отсутствует подмагничивание сердечника выходного трансформатора. Отсутствие подмагничивания позволяет применять трансформаторы меньшего размера при сохранении качественных показателей усилителя.

Режим В, по сравнению с режимом А, обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение отдаваемой лампой мощности к мощности, подводимой к ней. Однако даже при полной симметричности схемы (симметричность трансформаторов и параметров обеих ламп) в режиме В создаются сильные искажения сигнала звуковых частот. Эти искажения, так же как и нелинейные, вызываются нелинейностью анодно-сеточной характеристики лампы, но имеют более сложный характер, что проявляется в появлении в анодной цепи не только гармонических, но и разностных частот, подобно тому, как это происходит при преобразовании частоты. По этой причине ‘режим В в «чистом» виде не применяется, то есть рабочая точка на характеристике выбирается при анодном токе не равном нулю, а при токе, составляющем примерно 15—20% его максимальной величины. В условиях такого промежуточного режима, называемого режимом АВ, сигналы малой и средней величины усиливаются в режиме А (анодный ток течет непрерывно), благодаря чему при средней громкости, то есть в течение большей части времени, искажения относительно невелики.

При переходе от однотактного каскада к двухтактному вместо входного трансформатора Трi с выводом от средней точки вторичной обмотки, с успехом может быть использована электронная лампа. На рис. 5 изображена схема такого переходного устройства на двойном триоде, первый каскад которого представляет обычный усилитель на сопротивлениях, а второй — фазоинвертор, изменяющий полярность напряжения на обратную. Второй триод находится в таком же режиме работы, как и первый и, следовательно, дает такое же усиление. Однако на сетки обоих выходных триодов должны подаваться одинаковые напряжения. Для этого необходимо, чтобы делитель (в данном случае образованный сопротивлениями 1,0 МОм и 36 кОм) ослаблял напряжение во столько же раз, во сколько усиливает второй триод. Перемена полярности получается благодаря тому, что полярность напряжения на аноде обратна полярности на сетке.

Детектирование. Более сложным процессом, чем усиление, является детектирование. В результате детектирования из модулированных колебаний высокой частоты выделяется полезный низкочастотный сигнал, которым были модулированы незатухающие колебания высокой частоты в передатчике.

Известны три основных способа детектирования: диодное, сеточное и анодное. Наиболее часто применяют первый способ, который осуществляется с помощью лампового или полупроводникового диода — прибора, обладающего односторонней проводимостью. Схема диодного детектора и кривые, поясняющие процесс детектирования, приведены на рис. 6. Когда положительное напряжение, подаваемое на анод диода, превышает положительное напряжение на катоде, диод пропускает импульсы тока (рис. 6, в), заряжающие конденсатор Сх почти до величины амплитудного напряжения. Поэтому кривая напряжения на конденсаторе Сг (рис. 6, г) по своей форме подобна кривой, огибающей верхушки импульсов модулированного напряжения (рис. 6, б). Цепочка и Сф выполняет роль фильтра токов высокой частоты. Напряжение на конденсаторе Сф (рис. 6, д) состоит только из переменной составляющей низкой частоты (рис. 6, ё) и постоянной составляющей (рис. 6, ж). Переменная составляющая, отводимая через разделительный конденсатор С2, и представляет собой тот полезный сигнал, который после соответствующего усиления подается на громкоговоритель или кинескоп для преобразования в звук или изображение. Постоянная слагающая напряжения используется для автоматической регулировки усиления (АРУ). Чем сильнее сигнал подводимый к детектору, тем больше постоянная составляющая выпрямленного напряжения, тем больше отрицательное напряжение смещения на сетках предыдущих ламп, тем меньше анодные токи, тем меньше крутизна характеристики и, следовательно, усиление.

Сеточный детектор (рис. 7) представляет собой сочетание диодного детектора и усилителя низкой частоты. Процесс детектирования происходит в цепи сетки, которая выполняет роль анода диода. В результате детектирования модулированного напряжения высокой частоты на сетке получается напряжение такой формы, кривая которого подобна кривой на рис. 6, г. Трем составляющим сеточного напряжения — высокочастотной, низкочастотной и постоянной — будут соответствовать аналогичные составляющие анодного тока, из которых полезной является низкочастотная, выделяющаяся на сопротивлении Ra. Амплитуда этого напряжения больше, чем в случае диодного детектирования, так как триодная часть лампы работает усилителем.

Анодное детектирование, схема которого показана на рис. 8, основано на использовании нелинейности анодно-сеточной характеристики. Лампа ставится в такой режим, когда рабочая точка находится на сгибе характеристики. В этом случае анодный ток в положительный полупериод высокочастотного сигнала больше, чем в отрицательный. Чем больше амплитуда напряжения сигнала, тем сильнее увеличивается анодный ток в положительные полупериоды по сравнению с отрицательными. После фильтрации конденсатором Сф высокочастотной составляющей анодного тока, через сопротивление Ra, ‘ кроме постоянной составляющей, будет протекать еще ток низкой частоты, по своей форме повторяющий огибающую модулированного напряжения.

В настоящее время наряду с амплитудной модуляцией (AM) получила широкое распространение частотная модуляция (ЧМ). В AM сигнале отклонение амплитуды от среднего значения пропорционально величине звукового сигнала, а частота, с которой эти отклонения совершаются, равна частоте звука. При ЧМ сигнале модулируется не амплитуда, а частота. Чем сильнее звуковой сигнал, тем больше будет отклонение высокой частоты от ее среднего значения, а частота, с которой эти отклонения совершаются, равна частоте звука.

Ни один из детекторов, собранных по описанным выше схемам, не пригоден для детектирования ЧМ сигналов. Дело в том, что такие нелинейные элементы, как ламповые и полупроводниковые диоды, чувствительны к величине напряжения и почти не реагируют на изменение частоты. Тем не менее, детектирование ЧМ сигналов осуществляется с помощью обычных диодов, но они подключаются к высокочастотному трансформатору особой конструкции. Этот трансформатор представляет собой частотночувствительное переходное устройство, которое изменения частоты преобразует в изменения напряжения. Далее диоды работают так, как при детектировании AM сигналов.

Преобразование частоты. Современные приемники и телевизоры с целью получения высокой чувствительности, высокой избирательности, равномерности усиления по диапазону, простоты управления и еще некоторых других преимуществ, строятся по супергетеродинной схеме.

Для преобразованной одной частоты в другую необходимо выполнение двух условий — подведение к сетке (или к сеткам) лампы напряжения двух различных частот и работа на нелинейном участке характеристики.

Рассмотрим, что получится, если будет соблюдено только первое условие, то есть к сетке лампы будут подведены два слабых напряжения Uc и Ur с частотами fс и fг. Они займут небольшой, значит, линейный участок характеристики. В этом случае в анодной цепи появится переменный ток с частотой так называемых «биений» (см. рис. 9, а). Частоты биений характерны тем, что они образуются всего лишь из двух исходных частот. Это показано на рис. 10, где сумма кривых Uc (10, а) и Ur (10, б) дает кривую биений 10 е. Если fс и fг входят в полосу пропускания колебательного контура на выходе каскада, то после подключения к нему цепи, содержащей детектор, может быть выделена промежуточная частота fп. Это иллюстрируется кривой fп на рис. 10, г. Однако такой способ преобразования частоты с помощью диода в обычных приемниках и телевизорах не применяется по той причине, что если напряжения частоты гетеродина fг довести до нескольких вольт (а это получается без каких-либо затруднений), то режим работы из линейного (рис. 9, а) переводится в нелинейный (рис. 9, б), вследствие чего сама лампа приобретает детекторные свойства. Благодаря этому даже при очень малом сигнале в переменной слагаемой анодного тока появляется заметная составляющая промежуточной частоты. Описанный процесс преобразования частоты очень напоминает анодное детектирование. В связи с тем, что преобразование частоты не может быть осуществлено без детектирования, лампу, работающую в частотнопреобразовательном каскаде, часто называют первым детектором супергетеродинного приемника.

Генерирование переменного тока. Если выходную цепь усилителя связать с его входной цепью так, что часть выходного переменного напряжения попадет на сетку лампы, то могут возникнуть незатухающие колебания. В результате такой связи усилитель сигнала превращается в ламповый генератор. Частота генерируемого тока или напряжения определяется частотой настройки колебательного контура, входящего в состав лампового генератора. В современных радиоприемниках и телевизорах находят применение маломощные ламповые генераторы высокой частоты — гетеродины — необходимые для преобразования частоты.

В гетеродине лампа может работать в режиме А, В или С. В последнем случае (рис. 11) рабочая точка отодвинута далеко влево, так что импульсы анодного тока занимают меньше половины периода. В отношении коэффициента полезного действия, то есть эффективности преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, наивыгоднейшим является режим С (до 80—90%), далее режим В и, наконец, режим А (около 30—35%).

Характерной особенностью любого режима работы генераторной лампы является возможность появления значительного электронного тока сетки. Происходит это потому, что практически величина связи между цепями сетки и анода берется всегда больше минимальной, в противном случае лампа может не загенерировать. Возникшие при этом электрические колебания будут нарастать до тех пор, пока не вступит в действие какой-нибудь фактор, способный ограничить их рост и застабилизировать их величину. Таким фактором является электронный ток сетки. Чем больше будет переменное напряжение, тем больше будет максимальное напряжение на сетке, больше импульс сеточного тока, больше постоянная слагающая этого тока, протекающая через сопротивление Rc (см. схему генератора на рис. 12) и больше сеточное смещение, определяющее положение рабочей точки. С перемещением рабочей точки влево уменьшится крутизна характеристики, амплитуда генерируемого напряжения уменьшается и равновесие будет восстановлено.

Гетеродин должен давать напряжение достаточное для полного запирания (I =0мА) и отпирания (Uс= 0В) частотно-преобразовательной лампы. В зависимости от параметров преобразовательной или смесительной лампы это напряжение находится в пределах от 4 до 15В.