Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ. РАДИОПЕРЕДАЧА. МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ

Мои дорогие друзья, вы, несомненно, правы, когда восхищаетесь универсальностью электронных ламп. Я охотно объясню вам, как с их помощью можно генерировать колебания. Но сначала я покажу вам, что триод может обеспечивать так называемое «сеточное детектирование».

В этой схеме, некогда широко использовавшейся, сетка играет двойную роль: анода детектора и сетки усилителя (рис. 85).

Наша сетка, не имеющая отрицательного смещения, улавливает некоторое количество испускаемых катодом электронов во время положительных полупериодов переменного напряжения настроенного контура. Возникающий таким образом выпрямленный ток создает на резисторе R₁, падение напряжения. Это напряжение, являющееся результатом детектирования, управляет анодным током лампы. Таким образом обеспечивается одновременное усиление НЧ колебаний.

Обрати внимание, Незнайкин, что резистор R₁ имеющий сопротивление один или несколько мегаом, можно также включать непосредственно между сеткой и катодом (рис. 85, б).

Рис. 85. Сеточное детектирование с помощью триода. Резистор R₁ может быть включен через контур (а) или между сеткой и катодом (б).

До сих пор мы шли только вперед. В радиоприемнике мы рассмотрели антенну, от нее перешли к входной схеме, затем прошли по каскадам УВЧ к детектору и к УНЧ, выходной каскад которого снабжает энергией громкоговоритель.

А теперь посмотрим, что происходит, когда ток ВЧ после усиления возвращается назад. Для этой цели установим в анодной цепи лампы катушку L' индуктивно связанную с катушкой L сеточного колебательного контура (рис. 86).

Рис. 86. Протекающий по катушке L' анодный ток наводит ток обратной связи в катушке L колебательного контура к цепи сетки.

Что тогда произойдет?

В катушке L' колебания тока имеют ту форму, что и в катушке L, но усиленные. Следовательно, они наведут в катушке L переменные токи. Будут ли они в фазе или в противофазе с протекающими там токами? Это зависит от направления витков катушек. Можно так расположить катушки, что токи, наводимые катушкой L' в катушке L, будут усиливать протекающие по ней токи. При этом переменное напряжение на сетке станет больше. Это увеличит анодный ток лампы, в результате чего катушка L' наведет в катушке L напряжение еще большей величины и т. д.

Это воздействие анодной цепи на сеточную называется обратной связью.

И ты легко догадаешься, что степень этого воздействия зависит в основном от связи между двумя катушками. Чем сильнее они связаны между собой, тем больше воздействие. Таким образом можно весьма значительно повысить усиление нашего триода.

Это явление использовалось в широко распространенной схеме, называвшейся «регенеративным детектором». В ней использовали сеточное детектирование, которое обеспечивалось цепочкой R₁C₁ (рис. 87).

Рис. 87. Схема приемника с регенеративным детектором.

Самое важное заключалось в наличии в анодной цепи катушки L' соединенной последовательно с телефоном. Эта катушка имела регулируемую связь с катушкой L сеточного колебательного контура. Для этой цели катушка обратной связи устанавливалась на подвижном основании, позволявшем приближать ее к неподвижной катушке L. Такая конструкция давала возможность устанавливать максимальную обратную связь, обеспечивая большое усиление и высокую избирательность. Таким образом радиолюбители могли принимать очень удаленные передатчики.

Когда я говорил тебе об увеличении обратной связи, мне следовало бы объяснить, что нельзя увеличивать ее беспредельно. Существует предел, после которого лампа начинает генерировать колебания. Теперь мы подошли к изучению одного из самых важных явлений, каким является генерирование колебаний с помощью электронных ламп.

Для получения колебании в цепь сетки направляют часть энергии из анодной цепи. Лампа усиливает полученные таким образом колебания, и усиленные токи через цепочку обратной связи воздействуют на сеточную цепь.

Обратную связь можно осуществить не только воздействием анодной цепи на сеточную с помощью взаимосвязанных катушек. Такой же результат можно получить с помощью ловко придуманной трехточечной схемы (рис. 88).

Рис. 88. Трехточечная схема. Путь переменной составляющей анодного тока показан жирной линией.

Здесь анодный ток разветвляется на два направления: переменная составляющая через конденсатор С подводится к колебательному контуру, а постоянная составляющая проходит к положительному полюсу анодного напряжения через ВЧ дроссель. Так называют катушку, индуктивное сопротивление которой препятствует прохождению токов ВЧ. По пути к катоду лампы переменная составляющая анодного тока проходит по части катушки колебательного контура; катушка снабжена специальным выводом. Переменная составляющая наводит в контуре напряжение, достаточное для генерирования колебаний.

Чтобы сделать схему более наглядной, я провел жирной линией путь токов обратной связи.

Трехточечная схема может также применяться в приемнике с регенеративным детектором. Для этой цели в цепь сетки включают резистор R₁, зашунтированный конденсатором С₁ (рис. 89).

Рис. 89. Регенеративный приемник, в котором используется трехточечная схема.

Конденсатор С, пропускающий ток обратной связи в колебательный контур, должен быть переменным, что позволит регулировать коэффициент обратной связи. Благодаря такой конструкции становится возможным не переходить точку, где возникают собственные колебания, которые сопровождаются свистом в телефоне, вызываемом интерференцией. Об этом явлении я сейчас расскажу тебе.

Представь себе, что колебания, возникающие в результате воздействия обратной связи, имеют частоту f₂, несколько отличающуюся от частоты f₁, колебаний, наводимых в антенне принимаемыми радиоволнами. Что же произойдет в результате наложения колебаний этих частот?

Я начертил лля тебя кривые, соответствующие частотам f₁ и f₂ (рис. 90).

Рис. 90. Наложение двух колебаний с частотами f₁ и f₂ образует сложное колебание с частотой f₁ — f₂, которое при детектировании дает колебание с частотой F, равной разности частот двух составляющих.

Вначале, как ты видишь, колебания их совпадают, поэтому амплитуда результирующего тока равна сумме амплитуд обоих колебании. Но вследствие разницы частот образуется сдвиг, и вскоре наши колебания оказываются в противофазе и должны вычитаться одно из другого. Затем сдвиг уменьшается, колебания постепенно начинают совпадать, и все повторяется сначала.

Ты видишь, что амплитуда результирующего тока периодически меняется. И если ты посчитаешь количество периодов каждой из двух составляющих и количество периодов результирующего тока, то, несомненно, придешь к следующему важному выводу: в результате наложения колебаний с частотами f₁ и f₂ образуется колебание с частотой f₁ — f₂.

В самом деле, на моем рисунке изображено 20 периодов колебания с частотой f₁. В этот же отрезок времени укладывается 16 периодов колебаний с частотой f₂. А результирующее колебание с разностной частотой f₁ — f₂ имеет 4 периода.

Пропустив ток результирующего колебания через диод или любое другое выпрямляющее устройство, мы продетектируем его и получим ток НЧ: F = f₁ — f₂.

Ты видишь, что наложение двух переменных токов порождает ток, частота которого равна разности частот этих двух токов. Если это два тока ВЧ, частоты которых мало различаются между собой, то их наложение дает ток НЧ. Тогда говорят об интерференции или о биениях. Можно также накладывать токи, частоты которых значительно отличаются. Именно так делают при радиотелефонной передаче.

Сначала генерируют колебания ВЧ с помощью одного из рассмотренных нами способов, в которых обратная связь порождает такие колебания. Затем их усиливают и модулируют токами НЧ, полученными в результате усиления микрофонных токов. Как осуществляется эта модуляция?

Это можно сделать посредством одновременной подачи на сетку лампы двух напряжений: ВЧ и НЧ. Сетка в этом случае должна получить такое смещение, чтобы рабочая точка находилась у подножья характеристики (см. рис. 78). Тогда во время отрицательных полу периодов НЧ анодного тока не будет, а во время положительных полупериодов НЧ приложенное на сетку напряжение ВЧ создаст анодный ток, амплитуда которого в каждый момент времени будет пропорциональна напряжению НЧ. Таким образом получают токи ВЧ, модулированные по амплитуде сигналами НЧ.

Я не хочу утомлять тебя тригонометрическими расчетами сложения синусоидальных кривых ВЧ и НЧ. Просто запомни, что при модулировании по амплитуде несущего высокочастотного тока с частотой/током низкой частоты F возникает ток, имеющий две частоты: f — F и f + F.

Например, если ток ВЧ с частотой 1000000 Гц модулируется током НЧ с частотой 3000 Гц, в результате получается модулированный ток с частотами 997 000 и 1003 000 Гц (рис. 91).

Рис. 91. Колебания с несущей частотой 1 000 000 Гц модулируются НЧ с частотой 3000 Гц.

В радиотелефонии полоса звуковых частот ограничена 4500 Гц. Ширина каждой из модулированных боковых полос, расположенных по обе стороны от несущей частоты, равна 4500 Гц. А спектр частот, который занимает радиотелефонный передатчик, следовательно, составляет 9000 Гц. Поэтому международное разделение несущих частот предусматривает выделение интервалов шириной 9 кГц во избежание одновременного приема двух передач и появления интерференционных свистов.

Для завершения описания устройства передатчика я добавлю, что, прежде, чем подать в передающую антенну, которая порождает электромагнитные волны, модулированные токи, их следует усилить по мощности (рис. 92).

Рис. 92. Структурная схема радиотелефонного передатчика с амплитудной модуляцией.

Вернемся к рассмотрению обратной связи. До тех пор, пока мы ею управляем, все идет хорошо. Она позволяет повысить усиление или, если это нужно, генерировать колебания.

К сожалению, обратная связь может возникать самопроизвольно, что нередко имеет пагубные последствия. Катушка, по которой протекает анодный ток, может, помимо нашего желания, наводить напряжение в катушке, соединенной с сеткой, и вызвать тем самым появление колебаний. Это явление называют самовозбуждением.

Самовозбуждение может возникнуть также при наличии емкости между компонентами во входной и выходной цепях лампы.

Для предотвращения возникновения связей между магнитными или электрическими полями применяют экраны. Так называют металлические пластины или коробочки, являющиеся препятствием для распространения силовых линий. Распространение магнитных полей низкочастотных катушек и трансформаторов ограничивают стальными экранами. На ВЧ применяют преимущественно экраны из меди.

Однако имеется еще одна емкость, способная вызвать особенно опасную обратную связь. Это емкость между анодом и сеткой триода. Подумай о том, что положительный потенциал на сетке вызывает увеличение анодного тока. Поэтому падение напряжения на нагрузке, включенной в анодную цепь, увеличивается. В результате через емкость анод — сетка часть электронов попадет обратно на сетку, создав на ней еще более высокий положительный потенциал. Работа лампы станет неустойчивой, и может возникнуть самовозбуждение.

Здесь, как ты видишь, мы сталкиваемся с паразитной обратной связью. Как с ней бороться?

И в этом случае можно воспользоваться экраном. Нет, Незнайкин, не думай, что я смеюсь над тобой. Экран, о котором я сейчас говорю, представляет собой сетку со строго фиксированным потенциалом. Ее размещают между управляющей сеткой и анодом. Так получили четырехэлектродную лампу, потому что помимо катода, управляющей сетки и анода в ней имеется экранирующая сетка. Поэтому лампу называют тетродом (от греческого слова «тетра» — четыре).

Чтобы экранирующая сетка не мешала, а, наоборот, способспвовала прохождению электронов, на нее подают высокий положительный потенциал, который все же ниже потенциала анода. Для этой цели экранирующую сетку можно соединить с общей точкой двух резисторов, включенных последовательно между двумя полюсами источника высокого напряжения (рис. 93, а). Говорят, что эти резисторы образуют делитель напряжения. Можно также соединить экранирующую сетку через резистор с положительным полюсом источника напряжения (рис. 93, б). Имеющая положительный потенциал экранирующая сетка притягивает электроны, и образовавшийся таким образом ток создает падение напряжения на резисторе, необходимое для поддержания потенциала экранирующей сетки заданной величины.

Рис. 93. В схеме с тетродом для подачи положительного напряжения на экранирующую сетку можно использовать делитель напряжения из двух резисторов (а) или подключить экранирующую сетку к положительному полюсу источника высокого напряжения через резистор (б).

Благодаря экранирующей сетке действие анода на электронный поток уменьшается, а чем меньше действие анода на электронный поток по сравнению с действием управляющей сетки, тем больше усиление лампы.

Я надеюсь, что ты не забыл определение коэффициента усиления. Это отношение изменения потенциала сетки к изменению потенциала анода, вызывающие такое же изменение величины анодного тока. Из сказанного ты легко поймешь, что у тетрода коэффициент усиления значительно больше, чем у триода; он может достигать и даже превышать 1000.

Что же касается крутизны, то у тетрода и триода значения ее примерно одинаковы, так как экранирующая сетка не оказывает никакого влияния на результат воздействия потенциала управляющей сетки на величину анодного тока.

Ты, надеюсь, не забыл, что коэффициент усиления μ равен произведению крутизны S на внутреннее сопротивление R_i:

μ = S x R_i

И если у тетрода μ значительно больше, чем у триода, а значения S примерно одинаковы, то следует предположить, что и R_i тоже намного выше. В самом деле, внутреннее сопротивление тетрода очень велико. Оно может даже достигать 1 МОм.

До сих пор я говорил лишь о достоинствах, которыми обладает тетрод. Увы, наряду со своими прекрасными качествами он имеет большой недостаток: вторичную эмиссию. Когда испускаемые катодом электроны ударяются об анод, удар вызывает вылет некоторого количества электронов. Они покидают молекулы, расположенные на поверхности анода. В триоде это не вызывает нежелательных явлений, так как эти вторичные электроны сразу же притягиваются анодом, имеющим положительный потенциал.

Однако в тетроде не все завершается столь благополучно. Часть вторичных электронов получает в результате удара большую скорость, дающую им возможность достаточно удалиться от анода и приблизиться к экранирующей сетке настолько, что ее притяжение превысит притяжение анода. Попавшие в поле экранирующей сетки электроны притягиваются ею. В результате вторичная эмиссия порождает ток, проходящий от анода к экранирующей сетке.

Устранить этот недостаток тетрода возможно введением в лампу третьей сетки между экранирующей сеткой и анодом. Эту сетку соединяют внутри самой лампы с катодом. Ее отрицательный по отношению к аноду потенциал будет отталкивать вторичные* электроны обратно к аноду.

В то же время третья сетка не мешает прохождению электронов, испускаемых катодом. Ускоренные экранирующей сеткой и притягиваемые сильным полем анода, они на большой скорости проходят сквозь третью сетку. Эта новая лампа с тремя сетками содержит пять электродов, чем и определяется ее название пентод (рис. 94).

Рис. 94. Условное графическое обозначение пентода.

Теперь ты, наверно, спрашиваешь себя, до чего может дойти это увеличение количества электродов в лампе. Успокойся. Триоды, тетроды и пентоды — основные типы электронных ламп.

Существуют лампы, содержащие в себе комбинации этих основных типов, — комбинированные лампы. Примером может служить двойной диод, используемый для выпрямления переменного тока. Но существуют и лампы с 7 и 8 электродами, которые называются соответственно гептодами и октодами.

Об этих сложных приборах мы поговорим в следующий раз.