Катодный повторитель и другие схемы

В некоторых случаях, однако, находят себе применение схемы, в катоде которых имеется сопротивление без конденсатора. Это особым образом устроенные усилительные каскады, называемые катодными повторителями (см. схему на рис. 58). 

Катодный повторитель и другие схемы

Рис. 58 Схема катодного повторителя.

Из схемы видно, что катодный повторитель представляет собою каскад усиления, способный действовать в весьма широком спектре частот, поскольку в нем нет реактивных элементов, причем он охвачен глубокой отрицательной обратной связью. Малейшему изменению входного напряжения в какую бы то ни было сторону немедленно сопутствует толчок встречного падения напряжения на сопротивлении анодной нагрузки Rн включенной со стороны катода. Благодаря этому, помимо идеальной широкополосности  и равномерности воспроизведения входных частот по всему их спектру, катодные повторители обладают тем достоинством, что практически из возбуждающей их цепи они энергии никакой не потребляют, т. е., иначе говоря, их входное сопротивление равно бесконечности. Катодные повторители чаще всего применяются в радиолокационной и измерительной аппаратуре как усилители импульсов. Режим их таков, что они вместо усиления дают даже ослабление подведенных напряжений, однако, по мощности они всегда позволяют получить большой выигрыш , кроме того, отлично защищают входную цепь от искажаюцих обратных влияний преобразованных мощных импульсов.

Коэффициент полезного действия усилителей зависит от их устройства и от режимов использования ламп. Всего применяется три заметно отличающихся друг от друга режима работы усилительных ламп, обозначаемых А, В и С (рис. 59). 

Катодный повторитель и другие схемы

Рис. 59. Режимы А, В и С работы усилителей и схемы двухтактных усилителей (/ и II).

Режим А наиболее удобен для большинства усилителей напряжения низкой частоты, так как при нем нелинейные искажения минимальны. Основным недостатком этого режима, слабо ощутимым в маломощных предварительных усилителях, является малый к. п. д.

Режим В также используется в основном при низкочастотном усилении в оконечных каскадах, выполняемых для этой цели в виде симметричных двухламповых схем, называемых схемами "пуш-пулл", или двухтактными (рис. 59/). Сеточное смещение при этом подбирается таким, чтобы при отсутствии усиливаемых сигналов общий анодный ток обеих ламп (или „плеч“ схемы) был близким к нулю. Тогда, поступающие на вход сигналы будут усиливаться двухтактной схемой таким образом, что их положительные полупериоды пройдут через одно плечо, а отрицательные — через другое, что достигается применением симметрирующего входного трансформатора. В выходном трансформаторе усиленные положительные и отрицательные полупериоды, сдвинутые друг относительно друга на 180°, должным образом воссоединяются в полные усиленные колебания, снимаемые со вторичной его обмотки.

Раздельное симметричное усиление положительных и отрицательных полупериодов в двухтактных схемах позволяет использовать ламповые характеристики гораздо полнее. Лампы, работающие в двухтактных схемах, всегда стараются подобрать таким образом, чтобы они были по возможности совершенно одинаковыми по своим фактическим параметрам. Железный сердечник двухтактного трансформатора может иметь уменьшенную площадь поперечного сечения в сравнении с трансформатором в однотактной схеме, потому что анодный ток, проходя во встречных направлениях по обеим половинам первичной обмотки, не создает нагружающего сердечник постоянного магнитного потока, свойственного обычным тран- форматорам и способствующего нелинейным искажениям.

Для питания анодных цепей двухтактных схем можно применять выпрямленное напряжение с заметными пульсациями, так как, воздействуя на сердечник выходного трансформатора через обе половины его первичной обмотки во встречных направлениях, эти пульсации во вторичную обмотку не передаются. Применяя на входе двухтактного каскада так называемую фазоинверсную схему, или инвертор (от слова „инверсия", означающего „опрокидывание"), можно обойтись одним только выходным трансформатором, что удешевляет усилитель. Назначение фазоинверсной схемы — преобразовывать обычное входное напряжение в симметричное относительно катодов двухтактного каскада.

На рис. 59 (II) приведена именно такая схема, в действии которой рекомендуется разобраться самостоятельно.

В усилителях, действующих в режиме С, лампа остается запертой более чем в течение половины или даже трех четвертей периода, что еще более повышает к. п. д. усилителя. Режим С применяется главным образом при усилении высокочастотных колебаний значительных мощностей, что встречается в радиопередатчиках. Искажения при этом весьма велики, и форма усиленных колебаний почти совершенно непохожа на форму усиливаемых, однако, для высокочастотных колебаний, создаваемых в каскадах радиотелеграфных и радиотелефонных передатчиков, такого подобия и не требуется. Для усиления низкочастотных колебаний режим С совершенно непригоден.

Заканчивая общее рассмотрение усилителей, необходимо остановиться на некоторых специфических особенностях отдельных схем.

На схеме е рис. 53 представлен усилитель на дросселях. Нетрудно видеть, что эта схема является лишь некоторым вариантом схемы г усилителя на сопротивлениях, в котором активное Ra заменено полным сопротивлением дросселя Z = √R2 + ω2L2. Для анодного питания усилителя на дросселях можно применить батарею с меньшим напряжением, так как R дросселя обычно невелико и, следовательно, падения постоянного напряжения в анодном дросселе практически нет.

Вследствие отмеченного усилители на дросселях более экономичны по питанию, что может иметь значение для походных радиоустановок. Иногда дроссельные усилители требуют дополнительной частотной коррекции, так как из-за совместного действия L дросселя со случайными емкостями смежных частей схемы могут возникнуть резонансные явления, создающие на характеристике неожиданные участки выбросов и провалов.

На схеме д рис. 53 показан усилитель на трансформаторах. Междуламповые трансформаторы являются сравнительно дорогими и довольно громоздкими деталями, поэтому в наше время предварительные ступени усиления на трансформаторах находят себе все меньшее применение. Тем не менее, этот вид усилителей позволяет получить несколько большее усиление на один каскад, если применить повышение напряжения еще и в трансформаторах, вследствие чего там, где требуется, например, три каскада реостатного или дроссельного усиления, бывает возможным обойтись всего лишь двумя каскадами усиления на трансформаторах.

Особую разновидность усилительных схем составляют усилители постоянного тока. Нетрудно видеть, что рассмотренные схемы реостатного, дроссельного и трансформаторного усилителей совершенно непригодны для усиления постоянных напряжений, так как через конденсаторы и трансформаторы эти напряжения передаваться не могут.

Надобность усиливать постоянные напряжения встречается довольно часто, и в качестве первого примера можно указать хотя бы измерительные мостики постоянного тока, напряжения в диагональной ветви которых близ точки баланса весьма малы и не всегда достаточно отчетливо обнаруживаются даже с помощью высокочувствительных гальванометров. В походных условиях, например, пользование гальванометрами нежелательно, поэтому применяют усилители постоянного тока, позволяющие использовать вместо легко повреждающихся гальванометров обычные миллиамперметры.

На рис. 60 показана схема усилителя постоянного тока. Особенностью таких схем является то, что они могут быть только реостатными, в них отсутствуют переходные емкости, а число источников анодного питания должно быть равно числу каскадов, причем катоды должны быть только подогревными, с хорошей изоляцией относительно нити накала. Если же применить лампы прямого накала, то у каждого каскада должна быть и самостоятельная накальная батарея. Эти неудобства, которых избежать никак нельзя, препятствуют широкому применению усилителей постоянного тока.

 

Катодный повторитель и другие схемы

Рис. 60. Схема усилителя постоянного тока (а) и  блок-схемы ограничителя шумов (б) и экспандера (в).

Вследствие отсутствия переходных емкостей усилители постоянного тока обладают превосходными частотными характеристиками и их иногда применяют для низкочастотного высококачественного усиления.

Весьма существенными данными усилителей всех видов являются параметры их входных и выходных цепей. Если источником напряжения возбуждения является устройство с большим внутренним сопротивлением, сопротивление входной цепи также целесообразно иметь как можно более высоким, чтобы не создавать чрезмерного падения напряжения внутри возбудителя и тем не ослаблять общего усиления.

При малом внутреннем сопротивлении источника усиливаемых напряжений целесообразно применять и усилители с малыми сопротивлениями входа. Согласование входной цепи с источниками возбуждения обычно осуществляется с помощью входных трансформаторов, позволяющих получать нужные величины сопротивления входа.

 

Выходная цепь усилителя тоже должна быть правильно согласована с предназначенной для нее нагрузкой, для этой цели также используются трансформаторы Во многих случаях выходные трансформаторы делают секционированными для того, чтобы можно было производить более точную подгонку величин нагрузок разного рода к внутреннему сопротивлению ламп оконечного каскада. Максимум мощности на выходе можно получить лишь в случае, когда сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление выходной цепи (являющееся сопротивлением лампы) равны друг другу. Если, например, звуковую катушку динамического громкоговорителя (динамика), имеющую сопротивление в несколько ом, включить непосредственно в анодную цепь оконечного каскада, динамик будет работать с едва заметной громкостью, а при включении через различные трансформаторы он даст максимальную громкость с тем из них, коэффициент трансформации которого придает полному сопротивлению катушки величину, близкую или, лучше, равную внутреннему сопротивлению лампы.

Если сопротивление лампы Ri, а сопротивление нагрузки Za, то для правильного согласования нагрузки с лампой необходимо применить трансформатор с коэффициентом трансформации п, причем

Катодный повторитель и другие схемы

Корень квадратный здесь необходим потому, что перечисление сопротивлений из вторичной обмотки трансформаторов в первичную производится путем умножения их величин на квадрат коэффициента трансформации.

Для пояснения этого пусть, например, имеется 3-ваттная 12-вольтовая лампочка, которую предстоит включить в сеть 120 в так, чтобы мощность осталась прежней. Лампочка, как легко рассчитать по ее данным, имеет сопротивление = 48 ом, и, если ее включить непосредственно в сеть 120 в, она  моментально перегорит, потому что при напряжении, в 10 раз. большем нормального, ток пойдет тоже в 10 раз больший, а общая мощность возрастет в 100 раз. Поэтому для согласования сопротивления лампочки с новым напряжением необходимо применить понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации п =120/12=10. Каким же сопротивлением для сети 120 в будет являться лампочка, включенная через трансформатор? Сопротивление ее для вторичной цепи по-прежнему равно 48 ом, а перечисленное для первичной обмотки оказывается равным R2 = 4800 ом, так как 3 вт мощности можно получить лишь при таком сопротивлении. Вот почему R2 должно быть больше R1 в 100, т. е. в n2 раз.

Из других особенностей усилителей необходимо отметить также возможность осуществления так называемых „задержанных регулировок", когда автоматическое регулирование громкости начинается лишь после того, как уровень усиленного сигнала превысит некоторое заранее установленное значение, называемое „порогом задержки", или просто „задержкой".

Задержанная АРУ (Автоматическая Регулировка Усиления), нисколько не ухудшая слышимости сигналов, немедленно вступает в действие, когда сигнал делается чрезмерно сильным. Это особенно полезно при резких колебаниях слышимости, характерных для дальней радиосвязи. Применительно к радиоприемникам вместо термина АРУ пользуются термином АРЧ (Автоматическая Регулировка Чувствительности).

Помимо этого, в усилителях и радиоприемниках применяются различные автоматические схемы подавителей шумов и помех, а также регуляторов динамического диапазона воспроизводимых радиопередач. На рис. 60 в показаны блок- схемы ограничителя шумов и так называемого экспандера, т. е. расширителя динамического диапазона. Принцип действия ограничителя шумов состоит в том, что от входной цепи берется ответвление к вспомогательному усилителю с детектором, создающему запирающее напряжение при обычно весьма кратковременных импульсах помех, подаваемое в цепь регулировки усиления по основному каналу.

Экспандер действует по тому же принципу ответвления части входного сигнала и превращения его в регулирующие напряжения.

В отличие от схем АРЧ эти напряжения подаются в основной канал так, чтобы усиление при увеличенных амплитудах входного сигнала возрастало и подавлялось бы при уменьшенных. Таким приемом удается значительно расширить динамический диапазон усиливаемых звуков при полном подавлении шумов в паузах, что улучшает естественность и художественность звучания радиопередач, а особенно воспроизведение граммзаписей с пластинок.

В большинстве схем современных усилителей применяются не триоды, а пентоды, которым требуется положительное напряжение для питания цепей экранных сеток.

На рис. 76, 79 и 80 почти все лампы — пентоды. В каскадах предварительного усиления напряжение на экранную сетку подается от анодного через последовательно включенное сопротивление, на котором происходит падение части напряжения за счет тока самой экранной сетки. Конденсатор, обычно включенный между экранной сеткой и катодом, поддерживает постоянным ее потенциал, так как представляет собой весьма малое сопротивление для возможных пульсационных слагающих.

В оконечных каскадах чаще применяют подачу на экранную сетку полной величины анодного напряжения, что смещает всю характеристику пентода влево и позволяет снимать с него большую неискаженную мощность.

В тех случаях, когда общее усиление допустимо снизить, но зато требуется получить максимальную точность воспроизведения формы усиливаемых сигналов (минимум нелинейных искажений), применяют включение выходного пентода триодом. Не следует смешивать этот прием с часто практикуемым способом подачи на экранную сетку пентода полной величины анодного напряжения, так как там при работе лампы сохраняется постоянство напряжения на экранной сетке, и пентод остается пентодом, а при прямом соединении анода с экранной сеткой их потенциалы изменяются, конечно, одновременно и здесь уже пентода нет, а есть только триод.

Как можно видеть, усилители представляют собой весьма обширную категорию радиотехнических устройств, которые можно встретить во всех без исключения разновидностях применяющейся в аэрологических исследованиях и наблюдениях ридиоаппаратуры. Основным звеном практически используемых усилителей является электронно ламповый каскад, содержащий в себе необходимое количество рационально расположенных нужных радиодеталей, объединенных монтажными проводами в общий узел. В настоящее время все более широко применяются портативные радиоустройства, создаваемые на основе использования сверхминиатюрных радиоламп и кристаллических триодов, миниатюрных радиодеталей и печатных схем вместо проволочного монтажа. Несмотря на значительно меньшие размеры и необычный внешний вид, принципиальные основы новейшей радиоаппаратуры сохраняются полностью соответствующими описанному в настоящей главе. Для более глубокого и всестороннего изучения усилителей необходимо использовать как специальные руководства по этим устройствам, так и текущую популярную литературу.

Смотрите также